蜘蛛网织成前就能捕猎

一项最新研究表明，蜘蛛网即使在建造的早期阶段也可以抵抗拉伸以及捕获猎物。

该研究于北京时间8月10日3时发布在国际知名学术期刊《美国科学院院报》（PNAS）上。论文标题为《In-situ three-dimensional spider web construction and mechanics》，研究者主要来自麻省理工学院原子和分子力学实验室以及德国Tomás Saraceno工作室。通信作者为麻省理工学院土木与环境工程系教授Markus J. Buehler。

研究发现，蜘蛛网的主体结构是在建造过程中的前2天完成的，之后蜘蛛会通过框架内结构的有限扩展来加强现有网络。此外，即使在建造过程的第1天，蛛网的特定位置也有机会捕获猎物。

“蜘蛛网是自然界最神奇的材料之一——蛛丝具有很强的韧性和可扩展性。通过在蛛网中建造复杂的三维建筑，蛛丝的这些特性就被增强到能承受巨大环境影响的功能结构。蜘蛛网是蜘蛛身体的延伸。”Markus J. Buehler向澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者介绍选择蜘蛛网为研究对象的原因。

论文表示，蜘蛛是自然界的工程师，它们能设计、建造、使用和维护质量轻、性能佳的“蛛网建筑”。事实上，蜘蛛可以产出多达8种具有不同特性和功能的丝，并创造出许多网络结构——从简单的T形网和典型的二维圆网到复杂的三维网（如漏斗状网、缠结网等）。蜘蛛、蛛丝和蜘蛛网的复合体是一个自给自足、自我监控和自我修复的系统。

然而，人们对于建造中的蛛网（尤其是三维蛛网）的形状和力学特征知之甚少。对于建造中的三维蜘蛛网的力学和生物特征的深入了解，能够为耐用结实的和有弹性的纤维网络、复杂材料、结构、脚手架和分层结构的自组装策略提供灵感，并对3D 打印、艺术、建筑和工程应用产生启发。

比如说，蜘蛛网一般只有很少的外部支撑。与人类的传统建筑相比，如此庞大的结构将需要巨大的脚手架、大型建筑设备和很多工人。因此，了解蜘蛛网的建造能够提高人类施工效率。

此项研究中，研究人员通过在蜘蛛网建造过程中进行成像、建模和模拟来研究蜘蛛网在建造的不同阶段的结构和力学性能。Markus Buehler等人连续7天使用移动片光源和相机自动拍摄Tidarren sisyphoides蜘蛛建造的缠结网，并使用图像处理算法将2D图像转换为3D模型。他们还对蛛网进行了拉伸模拟和弹丸撞击模拟。

研究发现，蜘蛛会在前面2天（共7天）建立蛛网形状、强度和功能的基础。之后，只是在初始框架内进行有限拓展来对现有的蛛网进行加固。经过7天的建造，蜘蛛网的密度达到3.56 × 10^−5 立方米每千克。事实上，蜘蛛网的密度从第0天到第1天增加了700%，从第1天到第2天增加了400%，从第2天到第3天仅增加了9%。

自然界中，附着在树枝等移动支撑物上的蜘蛛网会不断被拉伸。研究者研究建造阶段，三维蛛网中一根蛛丝在拉伸下随时间推移的机械性能。研究发现，在承受负载的蛛丝达到其失效的应力并断裂后，负载会转移到连接的蛛丝上，从而避免发生灾难性故障。然后，蜘蛛可以通过拉索丝的非线性行为和蛛网的相互作用来定位缺陷，再修复缺陷以维持网络功能。

研究还发现，蜘蛛网的强度随着网的密度而增加。在网的坚固基础上，蜘蛛会在接下来的日子增加网的密度，从而增加网的强度。

此外，研究发现蛛网可以有效地让猎物减速，从而增加捕到猎物的概率。由于蛛网具有较多孔隙，大多数猎物会穿过网。但是，在蛛网的特定位置，即便蛛网才修建1天，蜘蛛也有机会捕到猎物。在蛛网构建的不同阶段，让猎物减速的位置会发生变化，这表明蜘蛛会调整结构（而结构的基础保持不变）。

论文表示，实验装置的进一步扩展可以激发可持续和弹性材料、建筑技术，以及具有艺术、建筑和工程应用的自组装策略。增加蜘蛛网构建、监测与修复的知识，可以为具有自给自足、自我修复和自我监控能力的新型智能结构提供灵感。这些知识还可以通过与其他学科的创造性的合作来启发艺术、设计和建筑（例如复杂和大规模的拉伸结构）。

“（这项研究的）一项应用是新材料设计。这项工作产生了新颖的由蛛网启发（web-inspired）的3D打印材料。同时，也帮助我们实现新的3D打印方法。”Markus J. Buehler介绍道。

“我们目前正在开发将蛛网用于建筑和材料工程中材料应用的新方法。”问及关于蜘蛛网的下一步研究计划，Markus J. Buehler表示，“我们正在积极研究的另一个应用是可听化（sonification）技术，即将蛛网作为乐器。我们已经通过蛛网创造了新的音乐，就像这里所展示的——蜘蛛网与毒液之交响乐。”