蜘蛛丝探秘：高强度轻质材料的设计
摘要：研究人员为了设计新材料而对蚕丝的性质进行了研究。某研究团队结合新出现的3D微型打印技术与多尺度建模的方法，成功设计出一套可对网状结构的编织及测试进行人工编程的系统方案。这种方法可帮助研究人员充分了解蜘蛛丝的高强度特性，从而定量设计出耐损性强的新结构或复合材料，并将其应用于其他领域。http://console.cdstm.cn/ueditor/php/upload/48141433136297.jpg
麻省理工大学的科学家们针对蜘蛛丝结构的研究建立了一套系统方案。该方案是将计算机建模与机械分析相结合，对3D打印的合成蜘蛛网进行分析。
蜘蛛丝因其美妙的结构与优异的性能而备受关注——相同重量的蜘蛛丝与钢，前者强度更大。
麻省理工大学对一些具有优异性能天然蛋白丝进行了研究，希望可以设计出合适的仿生材料。最近，麻省理工大学的科学家们针对蜘蛛丝结构的研究建立了一套系统性的方法。该法是将计算机建模与机械分析相结合，对3D打印的合成蜘蛛网进行分析。这些3D打印的模型可帮助我们进一步探究蜘蛛是如何赋予蜘蛛网如此优异的性能的问题。
麻省理工大学土木与环境工程系（CEE）主任Markus Buehler教授这周在《自然·通信》（Nature Communication）上以第一作者的身份发表了一篇论文，他表示：“这是我们首次为了蜘蛛丝结构的研究而建立起一套系统性的方法。我们期待着以一种系统的、可重复的方法，对天然网状结构的功能进行研究与预测。”
该研究团队结合新出现的3D微型打印技术与多尺度建模的方法，成功设计出一套可对网状结构的编织及测试进行人工编程的系统性方法。这种方法可帮助研究人员充分了解蜘蛛丝的高强度，从而定量设计出耐损性强的新结构或新复合材料，并将其应用于其他领域。
论文的其他作者：CEE科学家Zhao Qin、哈佛大学 Jennifer Lewis教授与前哈佛大学博士后 Brett Compton。
蜘蛛丝秘密的进一步解释
该研究揭示了蜘蛛丝网状结构、负载点与破坏机理之间的一个重要联系。通过调整整个网络的材料用量分布，蜘蛛能设计出最适合预期猎物的网状结构，赋予结构足够的强度。
该团队利用3D打印技术打印出一个金属网状结构，将结构的相关数据与模型相整合，实验装置就设计好了。“最终，我们将可以将结构的物理性质并入计算项目中。” Buehler 说道。
依Buehler所言，蜘蛛网能够利用有限的材料捕捉不同大小的猎物。他与他的同事们希望可以仿照这种行为设计出一种实用的低密度高强度材料。
Lewis表示，3D打印模型为网状结构的强度与损伤容限的研究打开了新的大门——这比单纯研究蜘蛛网更有效。
“蜘蛛丝是一种神奇的材料，”她说，“但是在此之前，网状结构的相关研究太少”。Lewis的工作就是采用一种与蜘蛛丝类似的材料，以3D打印技术打印出与蜘蛛网性质一致的网状结构，以模型为依托研究蜘蛛网的几何性质。
Buehler的团队选取了圆蛛科蜘蛛网作为3D打印原型。实验中，他们通过对丝线直径的控制，以不同直径代表不同均匀程度的丝线的厚度。
在模拟实验中，研究人员设置了不同负载条件作为变量，并分别设计了适宜的实验环境，以满足对网状结构的测试与优化。然后，研究人员选取一种合成材料，打印出不同的网状结构。Qin 表示，他们还在探讨蜘蛛网具有高强度的原因，希望可以得到一个定量的结论。
该研究还揭示了一个事实：丝线直径各处相同的网状结构更适于承受单点冲击，比如苍蝇撞到蛛网上产生的冲击力；而丝线直径各处不同的网状结构更适于承受整体冲击，比如风、雨或者重力对网的作用。
计算机建模与3D打印技术的结合使得网状结构的性能测试与优化设计更加有效化。
Lewis表示，他们正计划以冲击实验和振动实验研究网状结构的动态行为。通过这种研究，他们可以改变打印模型性质，为多功能结构的打印与优化打开了大门。 感谢老师的分享！辛苦了！问好！ 欢迎各位老师关注和支持！问好！
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