 Паутина давно известна своей изящной конструкции, а также ее дополнительными свойствами материала: Унция за унцию, она гораздо прочнее, чем сталь.
Исследование Массачусетского технологического института пояснил некоторые из тайн материала, которые могли бы помочь в дизайне синтетических ресурсов, которые имитируют необыкновенные свойства натурального шелка. Теперь ученые из Массачусетского технологического института разработали системный подход к исследованию ее структуры, смешивая Численное моделирование и анализ механической 3D-печати синтетической паутины. Эти модели предлагают понимание того, как пауки оптимизируют свои полотна.
Соединяя разномасштабное моделирование с новыми микромасштабными методами 3D-печати, команда открыла путь для непосредственного изготовления и тестирования синтетических структур паутины. Уроки, извлеченные на основе такого подхода может помочь в использовании прочности паутины для других целей, и в конечном итоге вдохновят инженеров на цифровое проектирование новых структур и композитов, которые являются надежными и устойчивыми к повреждениям.
Исследование раскрывает значимую взаимосвязь между структурой паутины, пунктами нагрузки и механизмами отказа. Регулируя распределение материала по всей паутине, паук способен оптимизировать ее прочность для его предполагаемой добычи.
Команда, приняв экспериментальную установку, использовала металлические структуры для 3D-печати синтетического полотна и непосредственно интегрировала свои данные в модели. В конечном счете они объединили физические данные с вычислительными в ходе экспериментов.
Паутина использует ограниченное количество материала, чтобы удержать добычу различных размеров. Исследователи надеются использовать эту работу для разработки реальных, устойчивых к повреждению материалов низкой плотности.
3D-печатные модели откроют пути к изучению воздействий архитектуры паутины на прочность и устойчивость к повреждениям - подвиг, который было бы невозможно достичь, используя только натуральную паутину.
Хотя паучий шелк является впечатляющим и увлекательным материалом, ее роль в архитектуре паутины еще не полностью изучена. Чтобы исследовать геометрические аспекты паутины, потребуется использовать подобного материал шелка, который может быть 3D-напечатан с однородными механическими свойствами.
Ученые использовали паутину как вдохновение для своих 3D дизайнов. В каждом из своих образцов, они контролировали диаметр резьбы как способ сопоставления гомогенной и гетерогенной толщины нити.
При моделировании, команда создала идеальную среду для тестирования и оптимизации структур паутины в различных условиях нагрузки, а затем использовала синтетические материалы для печати одинаковых полотен. Работа показала, что паутина, состоящие из однородных диаметров резьбы, лучше подходит для сопротивления силе, приложенной в одной точке; неоднородный диаметр может выдержать более широкое давление, например, от ветра, дождя или гравитации.
Сочетание компьютерного моделирования и 3D-печати позволяет эффективно проверять и оптимизировать конструкцию. Теперь исследователи планируют изучить динамические аспекты полотен через контролируемые воздействия и эксперименты вибрации. Это изменит свойства печатного материала в режиме реального времени, открывая дверь к печатным оптимизированным многофункциональным структурам.
|
