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麻省理工学院科学家借3D打印研究蛛网结构

时间:2015-05-19 12:10    来源: 网络投稿     作者: 佚名

      仿生科学家一直在研究自然界中超能现象,而且很多研究成果已应用的实际生活中。蜘蛛网一直是最让人们着迷的生物结构之一。无论是其超高的强度性能(同等质量下,它比钢更强)还是蛛网上呈现的复杂数学图案,蜘蛛网都是不折不扣的最令人印象深刻的自然造物之一。如今,通过将计算机建模和力学分析相结合,麻省理工学院(MIT)的一个研究团队开发出一种方法可以使用3D打印技术仿造蜘蛛网,以便于更好地研究它们。

麻省理工学院科学家借3D打印研究蛛网结构

     该研究团队近日发表在《自然(nature)》杂志上的一篇论文宣称,他们发现了一种方法可以对3D打印的合成蜘蛛网进行结构优化以获得高强度。这个研究团队的负责人是MIT土木与环境工程(CEE)系的Marku Buehler教授,其他研究人员包括CEE研究科学家 Zhao Qin、哈佛大学Jennifer Lewis教授和前哈佛博士后Brett Compton。

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“这是世界上首次对此类结构进行系统性探索。”Buehler教授说。“我们正在以一种系统的、可重复的方式寻求扩大我们对于天然织物功能方面的了解。”

使用一种实验装置,该团队使用金属结构3D打印出合成蛛网,并且直接将他们的数据集成到模型里——其本质实际存在的蛛网结构与计算模型结合起来。

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据哈佛大学教授Jennifer Lewis称,这种3D打印模型为进一步研究网状结构设计的影响、以及强度与破坏容忍度之间的关系提供了更多的机会与可能,而如果使用自然生成的蜘蛛网就根本不可能进行此类研究。

“蜘蛛丝是一种迷人的材料。”Lewis说。“但在此之前,蛛网体系结构的作用还没有得到充分的了解。”Lewis的目标是找到一种类似于丝的那种具有均匀机械性能的可3D打印材料,用于研究蛛网在几何方面的特性。

研究团队发现在蛛网结构、蛛网节点(加载点)和失效机制之间存在显著的关系,当整个蛛网上的材料分布改变时,蜘蛛就能根据预期的猎物更好地优化蛛网的强度。Buehler称,这一发现对于人类世界的低密度、耐损伤材料的设计有很大的启发。

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此外,该实验表明,拥有均匀螺纹直径的蜘蛛网能够更好地应对来自单点的力,类似于一只苍蝇或蜜蜂撞在网上这种情况。而具有不均匀螺纹直径的蛛网则更适于应对广泛的压力,比如雨滴或强风等。

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“这项研究工作对于探索在开发新型材料和结构时如何利用自然界中的设计是一个极好的示范。”美国东北大学机械和工业工程副教授Sandra Shefelbine说。

现在,在3D打印技术的帮助下,研究团队已经摸索出一种测试蜘蛛网结构的可行方法。他们的下一个步骤将进一步使用受控的冲击力和振动来模拟自然界的力量,以研究各种蜘蛛网结构的动态特性。

“生物材料和结构是工程学的最新前沿。”加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程教授在加州大学圣地亚哥分校教授 Marc Meyers评论说。“Markus Buehler和他的团队做出的显著贡献已经超越了了解自然的第一阶段,并在制造仿生结构方面大步前进。”

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