用蜘蛛丝将你的思维打印出来吧

2015-5-28 16:50| 发布者: 安丰贞| 查看: 1704| 评论: 0|来自: 研发埠

摘要: 研究人员利用丝的力学结构，设计高强度、低密度材料。由于蜘蛛丝具有优美的结构以及优良的材料性能，因此广受研究人员的关注。等量的蜘蛛丝和钢丝相比，蜘蛛丝的强度要比钢丝高。MIT的研究揭开了这种材料的部分神秘面纱，这将有助于设计合成材料，用来模拟天然丝的特殊属性。目前，MIT的科学家已经开发了混合计算建模、力学结构分析以及3D打印人造蜘蛛网的一整套系统方法，用来研究其结构。这些模型可以向我们 ...

3D打印 , 蜘蛛丝 , 材料

      （译者：王培德）

      研究人员利用丝的力学结构，设计高强度、低密度材料。

      由于蜘蛛丝具有优美的结构以及优良的材料性能，因此广受研究人员的关注。等量的蜘蛛丝和钢丝相比，蜘蛛丝的强度要比钢丝高。

      MIT的研究揭开了这种材料的部分神秘面纱，这将有助于设计合成材料，用来模拟天然丝的特殊属性。目前，MIT的科学家已经开发了混合计算建模、力学结构分析以及3D打印人造蜘蛛网的一整套系统方法，用来研究其结构。这些模型可以向我们展示蜘蛛对蜘蛛网的优化过程。

      MIT城市与环境（CEE）系主任Markus Buehler教授，作为本周在Nature期刊上发表相关论文的第一作者，他表示，这是对此类问题首次有条理地探索与研究;我们正在用系统性的、可重复的方式，研究自然界网状结构的作用。

      随着微型3D打印技术的兴起，耦合多尺度建模技术开始有了用武之地，该团队利用这一技术，采用直接制造的方式对他们设计的合成网状结构进行测试。

      通过这种方法的学习，可以在其他方面利用高强度的蜘蛛丝。采用直接制造的方法最终会激发工程师们对新结构和可靠、高强度复合材料的数字化设计。

      文章的作者为Buehler，CEE研究学者Zhao Qin，哈佛大学教授Jennifer Lewis，以及前哈佛大学博士后Brett Compton。

      下面进一步揭示蜘蛛丝的奥秘。

      上述研究揭示了蜘蛛网状结构和加载点、破坏机理之间的关系，通过调节材料在整个网状结构的分布节点，蜘蛛可以对蜘蛛网进行优化，增强蜘蛛网的强度进而捕捉猎物。

      该团队利用实验设备，借助金属结构对合成网状结构进行3D打印，直接生成他们所需要的模型。Buehler说，“最终，我们将计算结果成功地融入到了实际结构当中”。根据Buehler的介绍，蜘蛛网采用有限量的材料捕捉不同大小的猎物。他和他的同事希望借此设计出低密度、抗破坏能力强的材料。

      Lewis表示，3D打印模型为研究结构强度和破坏极限提供了新的研究方法。如果仅仅使用自然界的蜘蛛网，该研究是不可能完成的。

      她还表示，蜘蛛丝是一种十分值得我们关注的材料。但此前，网状结构的作用及功能并没有得到我们的充分了解。Lewis的主要任务是借助与蜘蛛丝具有相同力学属性的类似材料，通过3D打印技术，对蜘蛛网的几何结构进行研究。

      Buehler的团队3D设计的灵感来源于圆蜘蛛（蜘蛛的一类）的蜘蛛网结构。他们的每件样品中，通过控制螺纹的直径，比较均匀直径和非均匀直径对蜘蛛网性能的影响。

      在模拟仿真过程中，该团队在不同载荷工况下创建了“对网状结构测试与优化的理想环境”，然后使用合成材料打印相应的网状结构，Qin说，“我们正对蜘蛛网结构进行力学上的量化，以保证蜘蛛网的强度”。

      该项工作表明，由相同直径的材料组成的蜘蛛网结构更适用于承受单点作用力，例如一只苍蝇对网状结构的冲击；而相比之下，不同直径的材料组成的蜘蛛网结构则可以承受较大范围内的压力作用，例如风、雨或者重力作用。

      计算模型与3D打印技术的结合能够有效地对网状结构进行测试和优化设计。

      没有参与该项目的Northeastern大学机械工程专业副教授Sandra Shefelbine认为，这项项目是个很好的示范型项目，该项目向我们展示了我们如何利用自然界的设计来发展、研究新型材料以及新型结构。

      California大学San Diego分校机械与航空航天工程教授Marc Meyers补充道，生物材料和结构工程是目前工程学的前沿课题。Markus Buehler和他的同事们所做的这个项目在近几年会有意义重大的贡献，其贡献程度已经跨越了人类认识自然的第一阶段，这个项目扩宽了人类进行仿生结构建立的道路。

      Lewis表示，他的团队目前计划借助可控激振器以及振动试验台对网状结构的动态性能展开研究。这将会实时改变被打印材料的属性，为打印优化、多功能结构等研究提出新的研究思路。

      译自：https://newsoffice.mit.edu/2015/3d-printed-webs-0515
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