محققان از شبیه سازی های کامپیوتری برای درک بهتر ابریشم عنکبوت استفاده می کنند

محققان موسسه فناوری ماساچوست ( MIT ) و Politecnico di Torino در ایتالیا مطالعه جدیدی را منتشر کرده اند که به بررسی چگونگی واکنش تار عنکبوت به استرس می پردازد. این تحقیق شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده را با مشاهدات تجربی تار عنکبوت ترکیب می‌کند تا نشان دهد که دوام تار به استحکام ابریشم و طراحی کلی وب برای جبران آسیب‌ها و تنش‌های مختلف بستگی دارد.

در حالی که محققان مدت‌هاست از قدرت باورنکردنی ابریشم عنکبوت اطلاع داشتند، ماهیت قوی رشته‌های ریز به تنهایی نمی‌تواند توضیح دهد که چگونه تارها در برابر اشک‌ها و بادهای بیش از قدرت طوفان جان سالم به در می‌برند.

اکنون، مطالعه‌ای که مشاهدات تجربی تار عنکبوت را با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیچیده ترکیب می‌کند، نشان می‌دهد که دوام وب نه تنها به استحکام ابریشم بستگی دارد، بلکه به نحوه جبران آسیب‌ها و پاسخ رشته‌های منفرد به تنش‌های پیوسته متغیر توسط طراحی کلی وب بستگی دارد.

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و Politecnico di Torino در ایتالیا، با گزارشی در جلد اول شماره 2 فوریه 2012 مجله Nature، نشان می‌دهند که چگونه طراحی تار عنکبوت فشار و آسیب را بومی‌سازی می‌کند و تار را به عنوان یک ابزار حفظ می‌کند. کل

مارکوس بولر، دانشیار مهندسی عمران و محیط زیست در MIT می گوید: «گروه های تحقیقاتی متعددی ساختار پیچیده و سلسله مراتبی ابریشم عنکبوت و استحکام، انبساط و چقرمگی شگفت انگیز آن را بررسی کرده اند. اما، در حالی که ما رفتار عجیب و غریب ابریشم دراگلین را از «مقیاس نانو به بالا» درک می‌کنیم – ابتدا سفت، سپس نرم و سپس دوباره سفت می‌شود – ما بینش کمی در مورد اینکه چگونه ساختار مولکولی ابریشم به طور منحصربه‌فردی عملکرد یک تار را بهبود می‌بخشد، داریم.

تارهای عنکبوت موجود در باغ ها و گاراژها از چندین نوع ابریشم ساخته شده اند، اما ابریشم چسبناک و ابریشم دراگلین برای یکپارچگی تار بسیار حیاتی هستند. ابریشم چسبناک کشدار، مرطوب و چسبنده است و این ابریشم است که با مارپیچ های فزاینده از مرکز وب بیرون می زند. وظیفه اصلی آن گرفتن طعمه است. ابریشم Dragline سفت و خشک است و به عنوان نخ هایی عمل می کند که از مرکز تار تابش می کنند و پشتیبانی ساختاری را فراهم می کنند. ابریشم Dragline برای رفتار مکانیکی وب بسیار مهم است.

برخی از کارهای قبلی بوهلر نشان داد که ابریشم دراگلین از مجموعه ای از پروتئین ها با ساختار مولکولی منحصر به فرد تشکیل شده است که هم قدرت و هم انعطاف پذیری را می بخشد. بولر می افزاید: «در حالی که قبلاً از استحکام و چقرمگی ابریشم تبلیغ شده بود – این ابریشم از فولاد قوی تر و از نظر وزن از کولار سخت تر است – مزایای ابریشم در یک شبکه، فراتر از چنین معیارهایی، ناشناخته بوده است.

مدل متحرک تغییر شکل و شکستن تار عنکبوت تحت تنش های شدید این مدل بر اساس رفتارهای ابریشم وب در مقیاسی تا سطح مولکولی است.

عنکبوت‌های رایجی که در مطالعه اخیر نشان داده شده‌اند، از جمله گوی‌بافان (Nephila clavipes)، عنکبوت‌های باغی (Araneus diadematus) و دیگران، الگوهای تار مارپیچی آشنا و آشنا در بالای داربستی از رشته‌های تابشی هستند. ساختن هر تار به انرژی نیاز دارد که عنکبوت نمی تواند اغلب مصرف کند، بنابراین دوام کلیدی برای بقای عنکبوت است.

از طریق مجموعه‌ای از مدل‌های رایانه‌ای که با آزمایش‌های آزمایشگاهی با تار عنکبوت مطابقت داشتند، محققان توانستند تشخیص دهند که چه عواملی چه نقشی در کمک به یک وب برای تحمل تهدیدات طبیعی دارند که یا موضعی هستند، مانند افتادن شاخه بر روی یک رشته یا توزیع. مانند بادهای شدید

برای مدل‌های خود، از چارچوب دینامیک مولکولی استفاده کردیم که در آن رفتار مولکولی رشته‌های ابریشم را به دنیای ماکروسکوپی افزایش دادیم. آنا تاراکانووا، که مدل‌های کامپیوتری را به همراه استیون کرانفورد که هر دو فارغ‌التحصیل هستند، می‌گوید این به ما امکان می‌دهد موارد بارگذاری مختلف را در وب بررسی کنیم، اما مهم‌تر از آن، به ما امکان داد که چگونه وب را تحت شرایط بارگذاری شدید ردیابی و تجسم کنیم. دانش آموزان در آزمایشگاه Buehler.

انیمیشن ارتعاشات و تغییر شکل یک تار عنکبوت تحت تأثیر نیروهای مکانیکی. این مدل بر اساس رفتارهای ابریشم وب در مقیاسی تا سطح مولکولی است.

کرانفورد اضافه می‌کند: «از طریق مدل‌سازی رایانه‌ای وب، ما توانستیم به طور مؤثر شبکه‌های مصنوعی ایجاد کنیم که از ابریشم‌های مجازی ساخته شده بودند که شبیه به مواد مهندسی معمولی‌تر مانند آنهایی که الاستیک خطی هستند، مانند بسیاری از سرامیک‌ها، و الاستیک. مواد پلاستیکی که مانند بسیاری از فلزات رفتار می کنند. با مدل‌ها، می‌توانیم بین عملکرد وب مدل‌سازی شده و عملکردی که در تارهای ساخته شده از ابریشم طبیعی مشاهده می‌شود، مقایسه کنیم. علاوه بر این، ما می‌توانیم وب را از نظر انرژی، و جزئیات تنش و کرنش موضعی تجزیه و تحلیل کنیم، این ویژگی‌هایی است که آزمایش‌ها قادر به نشان دادن آن‌ها هستند.

این مطالعه نشان داد که همانطور که انتظار می رود، وقتی هر بخشی از وب مختل می شود، کل وب واکنش نشان می دهد. چنین حساسیتی چیزی است که عنکبوت را از مبارزه با یک حشره به دام افتاده آگاه می کند. با این حال، رشته‌های شعاعی و مارپیچی هر کدام نقش‌های متفاوتی در کاهش حرکت بازی می‌کنند، و زمانی که تنش‌ها به‌ویژه شدید هستند، قربانی می‌شوند تا کل تار زنده بماند.

دنیس کارتر، مدیر برنامه NSF برای بیومکانیک و مکانیک شناسی که می گوید: «مفهوم شکست انتخابی و موضعی برای تار عنکبوت جالب است زیرا انحراف مشخصی از اصول ساختاری است که به نظر می رسد در مورد بسیاری از مواد و اجزای بیولوژیکی وجود دارد. به حمایت از مطالعه کمک کرد.

به عنوان مثال، اجزای مواد توزیع شده در استخوان استرس را به طور گسترده پخش می کنند و استحکام را افزایش می دهند. هیچ ماده “هدر رفته” وجود ندارد و وزن ساختار را به حداقل می رساند. در حالی که تمام استخوان برای مقاومت در برابر نیرو استفاده می شود، استخوان در همه جای ساختار قبل از شکست آسیب می بیند.

کارتر می‌گوید در مقابل، تار عنکبوت برای قربانی کردن مناطق محلی سازماندهی شده است، به طوری که شکست مانع از عملکرد تار باقیمانده نمی‌شود، حتی اگر ظرفیت آن کاهش یافته باشد. او می‌افزاید: «این یک استراتژی هوشمندانه است وقتی که جایگزین ایجاد یک وب کامل و جدید باشد». همانطور که بولر پیشنهاد می‌کند، مهندسان می‌توانند از طبیعت بیاموزند و استراتژی‌های طراحی را که برای کاربردهای خاص مناسب‌ترین هستند، تطبیق دهند.

به طور خاص، هنگامی که یک رشته شعاعی در یک شبکه گیر می کند، تار بیش از زمانی که یک رشته مارپیچی نسبتا سازگار گیر می کند تغییر شکل می دهد. با این حال، زمانی که هر یک از این دو نوع از کار می افتد – تحت فشار زیاد – تنها رشته ای است که از کار می افتد.

ماهیت منحصر به فرد پروتئین های ابریشم عنکبوت این اثر را افزایش می دهد. هنگامی که یک رشته کشیده می‌شود، ساختار مولکولی منحصربه‌فرد ابریشم – ترکیبی از پروتئین‌های آمورف و کریستال‌های منظم در مقیاس نانو – با افزایش تنش باز می‌شود و منجر به یک اثر کششی می‌شود که دارای چهار فاز مجزا است: یک کشش اولیه و خطی. کشش کشیده در حین باز شدن پروتئین ها. مرحله سفت شدن که بیشترین مقدار نیرو را جذب می کند. و سپس مرحله نهایی لغزش قبل از شکستن ابریشم.

بر اساس یافته‌های محققان، شکست رشته‌های ابریشم در نقاطی رخ می‌دهد که رشته توسط آن نیروی خارجی مختل می‌شود، اما پس از شکست، شبکه به ثبات بازمی‌گردد – حتی در شبیه‌سازی‌هایی که با استفاده از نیروهای گسترده، مانند بادهای نیروی طوفانی انجام می‌شود.

کرانفورد می گوید: «ساختارهای مهندسی شده معمولاً برای تحمل بارهای بزرگ با آسیب محدود طراحی می شوند، اما محاسبه بارهای شدید دشوارتر است. عنکبوت به طور منحصر به فردی این مشکل را با اجازه دادن به یک عضو قربانی در زیر بار زیاد حل کرده است. یکی از اولین سوالاتی که یک مهندس سازه باید بپرسد این است که “بار طراحی چقدر است؟” با این حال، برای یک تار عنکبوت، مهم نیست که بار آنقدر قوی باشد که باعث شکست شود یا صد برابر بیشتر باشد – اثر خالص یکسان است. اجازه دادن به یک عضو قربانی از کار افتادن، غیرقابل پیش‌بینی بودن بارهای شدید را از معادله طراحی حذف می‌کند