蜘蛛丝因其优雅的结构和其先进的材料属性久负盛名：相同质量下，强度高于钢。
麻省理工学院的研究揭示了这种材料的一些奥秘，有助于合成类似于天然蛛丝的材料。现在，麻省理工学院的科学家们已经开发出一种研究其结构的系统方法，结合数值模拟和3D打印合成蜘蛛网的力学性能分析。这些模型提供给我们关于蜘蛛如何优化蛛网的一些观点。
“这是第一次系统的探索，”麻省理工学院土木与环境工程系的负责人马库斯·比勒教授说，以他为第一作者的论文出现在本周的《自然通讯》中。“我们希望扩大关于自然蛛网系统功能的知识和可重复的方法。”
研究者探索蜘蛛丝力学性能来设计材料。结合多尺度数值模拟与新兴微尺度3D打印技术，研究团队直接打印蛛网，并测试所合成网的结构。得出的经验有助于利用蜘蛛丝的强度设计其他用途，最终激发工程师的灵感，设计可靠的和防破坏的新结构和复合材料。
论文由比勒和土木与环境工程学院科学家赵秦、哈佛大学教授詹妮弗·刘易斯、以及前哈佛大学博士后Brett康普顿完成。
进一步揭示蜘蛛丝的奥秘
研究揭示了蜘蛛网结构间的重要关系，加载点和断裂机理。通过调整蛛网的材料分配，蜘蛛能为预期的猎物，优化其蛛网强度。
团队采用一种实验装置，利用金属3D打印人造蛛网，并直接将它们的数据整合到模型中。“最终在我们的实验中，合并物理参数与计算结果，”比勒说。
根据比勒教授的说法，蜘蛛网利用有限的材料来捕捉不同尺寸的猎物。他和他的同事们希望利用这项工作来设计现实中的低密度防破坏材料。
3D打印的模型，刘易斯说，为研究蛛网结构对强度和损伤极限的影响提供了方法--是单单利用天然蜘蛛网不可能达到的壮举。
“蜘蛛丝是种令人印象深刻的吸引人的材料，”她说。“但在此之前，蛛网结构的作用尚未被充分地探索。”为了研究蜘蛛网几何方面特征，利用可被3D打印并与蜘蛛丝相似的且具有均匀力学性能的材料，是刘易斯的任务。
比勒的研究小组利用圆形织网蛛的网，作为他们3D设计的灵感。在每一个他们的样品中，他们控制线丝的直径作为一种比较同类和异类线丝厚度的方法。
在模拟实验中，不同加载条件下，团队创造“测试和优化网络结构的理想环境”，然后使用合成材料打印相同的网，秦说。“我们正在试图量化蜘蛛网高强度的机制，”他说。
工作表明，由均匀线丝直径组成的蜘蛛网更适合于承载单受力点，如苍蝇对蜘蛛网的冲击力; 非均匀直径可以承受分布更广泛的压力，比如风，雨，或重力。
结合数值模拟和3D打印技术可以使测试和优化设计更加有效。
刘易斯说，团队现在正计划通过受控冲击和振动实验，来测试蛛网的动力学特征。她说，这将实时改变打印材料的属性，来实现可打印的优化的多功能结构。