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研究人员使用计算机模拟来更好地了解蜘蛛丝

<p>这种分层描述显示了蜘蛛网如何响应压力,从网络规模跨越蛋白质分子的规模只有纳米,或十亿分之一米跨越当一个力击中网时,例如来自被困的苍蝇,网在多种尺度下以不同方式变形,但仅在丝线受到最大压力的情况下失败由于在蜘蛛丝蛋白分子内发生的滑动,网络管理了这一壮举结果是补偿了一些压力,但是当压力成为时牺牲失败极端,保留网络作为一个整体来自麻省理工学院(MIT)和意大利都灵理工大学的研究人员发表了一项研究蜘蛛网如何应对压力的新研究该研究将复杂的计算机模拟与蜘蛛网的实验观察结合起来表明,网状耐久性取决于丝绸强度和整体网页设计,以弥补损害和变化的压力,同时研究她早就知道蜘蛛丝具有令人难以置信的强度,细丝的强大性质不能单独解释纤维网如何在超过飓风强度的多个眼泪和风中存活</p><p>现在,一项结合蜘蛛网实验观察与复杂计算机模拟的研究表明,纤维网的耐久性不仅取决于丝绸的强度,还取决于整体纤维网设计如何弥补损伤以及单个纤维束对不断变化的应力的反应麻省理工学院的Markus Buehler解释了蜘蛛网如何在不失败的情况下经受住频繁的攻击 - 以及丝绸如何只是其中的一部分答案报道2012年2月2日“自然”杂志的封面故事,来自麻省理工学院(MIT)和意大利都灵理工大学的研究人员展示了蜘蛛网设计如何定位应变和损坏,保护网络作为一个整体“多个研究小组已经研究了蜘蛛丝的复杂,层次结构及其惊人的强度“可扩展性和韧性,”麻省理工学院土木与环境工程副教授Markus Buehler说道</p><p>“但是,虽然我们了解拉丝绸丝从'纳米级向上'的特殊行为 - 最初是僵硬的,然后软化,然后又变硬 - 我们对于丝绸的分子结构如何独特地改善网状物的性能几乎没有什么了解“在花园和车库中发现的蜘蛛网是由多种丝绸类型制成的,但粘性丝绸和拉丝丝对于纤维网的完整性至关重要有弹性,潮湿和粘性,它是从卷筒纸中心逐渐增加螺旋形的丝绸</p><p>它的主要功能是捕捉猎物拉特兰丝绸是僵硬和干燥的,它作为从网络中心辐射出来的线,提供结构支撑牵引丝对于网的机械性能至关重要Buehler早期的一些工作表明,牵引丝由一组蛋白质组成具有强度和柔韧性的分子结构“虽然丝绸的强度和韧性在之前被吹捧 - 它比钢更强,比凯夫拉纤维更坚韧 - 丝网在丝网中的优势,除了这些措施之外,还不得而知, “Buehler在极端压力下添加了变形和破坏蜘蛛网的动画模型</p><p>该模型基于网络丝绸行为,其规模低至分子水平</p><p>最近研究中代表的常见蜘蛛,包括orb weavers(Nephila clavipes),花园蜘蛛(Araneus diadematus)和其他人,在辐射细丝的脚手架上制作熟悉的,螺旋状的网状图案构建每个网状物需要能量,蜘蛛不能经常消耗,因此耐久性是蜘蛛纲动物生存的关键通过一系列计算机模型匹配到通过蜘蛛网的实验室实验,研究人员能够分辨出哪些因素在帮助网络承受自然威胁方面发挥了什么作用或者是局部的,例如落在细丝上的树枝,或者是分布的,例如大风</p><p>“对于我们的模型,我们使用分子动力学框架,其中我们将丝线的分子行为扩展到宏观世界 这使我们能够在网上调查不同的载荷情况,但更重要的是,它还使我们能够追踪和可视化在极端载荷条件下卷筒纸的断裂情况,“安娜·塔拉卡诺娃说,他与史蒂文·克兰福德一起开发了计算机模型Buehler实验室的学生受机械力影响的蜘蛛网的振动和变形动画该模型基于网络丝绸行为,其规模从分子水平“通过网络的计算机建模”,Cranford补充道,“我们能够有效地创造“合成”网,由虚拟丝绸构成,类似于更典型的工程材料,如线性弹性材料,如许多陶瓷,弹性塑料材料,表现得像许多金属一样,我们可以进行比较模拟网的性能和天然丝网制成的性能之间的关系另外,我们可以用o来分析网络f能量,局部应力和应变的细节,“这是特征实验能够揭示的研究表明,正如人们所预料的那样,当网络的任何部分受到干扰时,整个网络都会做出反应</p><p>蜘蛛对被困昆虫的挣扎然而,径向和螺旋细丝各自在减弱运动中起着不同的作用,当应力特别苛刻时,它们被牺牲以使整个网可以存活“蜘蛛的选择性,局部失效的概念网络很有意思,因为它与许多生物材料和组件的结构原理明显不同,“NSF生物力学和机械生物学项目主任丹尼斯卡特补充说,他帮助支持这项研究”例如,分布式骨中的材料成分广泛应力,增加强度没有“浪费”的材料,最大限度地减少了结构的重量虽然所有的骨头都是bei用于抵抗力,沿着结构的任何地方的骨头在失败之前往往会被损坏“上图显示了蜘蛛丝在其自然状态下的分子结构的详细视图,没有施加机械载荷,显示出半特征的复合物 - 无定形蛋白质相(薄,扭曲线)和β-折叠纳米晶体(粗黄线)下图显示了极端应力下丝绸分子结构的详细视图,显示了蛋白质链在拉伸下如何解开并最终让位于变形相比之下,蜘蛛网的组织是为了牺牲局部区域,以便失败不会阻止剩余的网络运作,即使容量减少,卡特说:“这是一个聪明的策略,当替代方案必须完整时,新网络,“他补充道,”正如Buehler建议的那样,工程师可以从大自然中学习并调整最适合特定应用的设计策略“具体地说,当网状物中的径向细丝被钩住时,网状物比相对柔顺的螺旋状细丝被捕获时变形更多但是,当任何一种类型失效时 - 在很大的压力下 - 它是唯一失效的细丝 - 蜘蛛的独特性质 - 丝绸蛋白质增强了这种效果当拉丝时,丝绸独特的分子结构 - 无定形蛋白质和有序的纳米级晶体的组合 - 随着应力的增加而展开,导致拉伸效应有四个不同的阶段:初始的线性牵引;当蛋白质展开时拉伸伸展;一个吸收最大力量的硬化阶段;丝绸断裂前最后的粘滑阶段根据研究人员的研究结果,丝线的失效发生在灯丝被外力扰动的点上,但失败后,纸幅恢复稳定 - 即使在使用广泛的力量进行模拟,如飓风强风“工程结构通常设计为能够承受有限损坏的大载荷,但极端载荷更难以解释,”Cranford说道</p><p>“蜘蛛通过允许牺牲成员独特地解决了这个问题在高负荷下失败结构工程师必须要问的第一个问题是“设计负荷是多少</p><p>”然而,对于蜘蛛网来说,如果负载足够强大而导致故障无关紧要,或者100倍数 - 净效应是相同的 允许牺牲成员失败消除了设计方程中“极端”负荷的不可预测性“来源:国家科学基金会图片:Zina Deretsky,国家科学基金会,与S Cranford,G Bratzel和MJ Buehler合作(三人来自麻省理工学院)技术,

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