Біологія
Технології
Біологія
Технології

Інженери постежили за в'язанням павутиння та відтворили всі етапи

Дослідникам з MIT вдалося змоделювати весь процес будівництва павутиння павуком Tidarren sisyphoides та відтворити кожний етап за днями, щоб затим побудувати модель для практичного використання павучих навичок. Так з'ясувалося, що фундамент павутиння з'являється у перші два дні, а затим конструкція вже укріплюється без розширення зі стабільною довжиною волокна. Також у Proceedings of the National Academy of Sciences дослідники повідомили, що їхній метод сканування і моделювання павутиння можна використати і для інших видів павуків, тим паче, що за ним вже вдалося і надрукувати точну копію справжньої конструкції та прорахувати її характеристики.

Порівняння справжнього «живого» павутиння і комп'ютерного моделювання. Zhao Qin, Isabelle Su, Neosha Narayanan, Marcos A. Logrono, Kai Guo, Ally Bisshop, Roland Mühlethaler, Tomás Saraceno, and Markus Buehler 

Порівняння справжнього «живого» павутиння і комп'ютерного моделювання. Zhao Qin, Isabelle Su, Neosha Narayanan, Marcos A. Logrono, Kai Guo, Ally Bisshop, Roland Mühlethaler, Tomás Saraceno, and Markus Buehler

Що і навіщо намагалися зробити вчені?

Павутиння займає величезну долю досліджень — те, як вони її плетуть, використовують та як адаптують до тиску навколишнього середовища, цікавить біологів, інженерів, математиків та фізиків. Павутиння має видатні механічні і біологічні властивості: розкладається, добре контактує з поверхнями, легко розтягується та при цьому лишається міцним. Міцність павутини може досягати 1,3 гігапаскаля, поки міцність деяких марок сталі не перевищує декількох сотень мегапаскалей. Втім, як ви могли помітити, павутиння є досить тонкою мережевою структурою, яку іноді і помітити складно. Павуки можуть плести до восьми різних типів павутиння з різними властивостями і функціями і створювати численні архітектури від простих T-подібних і типових двовимірних до сферичних тривимірних мереж. Причому вони їх і контролюють, і ремонтують і переробляють. А ми лише намагаємося це повторити, щоб так само вміти створювати стійкі високоефективні конструкційні рішення, нові матеріали та будівельні процеси.

Павутиння давно вважається еталоном для інноваційних матеріалів і структур. До прикладу, у макромасштабі дизайнери імітували структури павутиння для створення таких архітектур, як системи дахів радіальних кабельних мереж, які можна знайти на деяких стадіонах. Суміщати особливості павутиння з 3D-друком призводить до створення нових самовідновлюваних структур з самоконтролем цілісності. Комп'ютерні моделювання та експерименти з павутинням дають змогу по-новому поглянути на його властивості, тож у цій роботі дослідники взялися за повний аналіз механіки павутиння павуків виду Tidarren sisyphoides з метою дослідити всі етапи виробництва. Для цього вони знайшли спосіб слідкувати за роботою павука, точного моделювання та симуляції процесів, з якими стикається павутиння.

Фізичні моделі сканованого павутиння. На малюнку «А» невеликий розрив павутиння на 7 день, а на «B» — побудоване павутиння за один день. Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Фізичні моделі сканованого павутиння. На малюнку «А» невеликий розрив павутиння на 7 день, а на «B» — побудоване павутиння за один день. Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Як будується павутиння?

У порівнянні з двовимірними сферичними мережами, тривимірні павутинки складніше описати через їхню складну структуру волокон, що деякі з яких мають розміри у наномасштабі. Досі методом автоматичної кількісної оцінки тривимірної геометрії павутиння було отримання зображення ковзаючим лазерним променем. Затим їх обробляли у 2D-зображення, де і аналізували вузли і волокна. Втім, арахнологи знають, що у побудові павутиння роль грає не лише конструкція, яку обирає певний вид павуків: це і розвідка, і побудова якірних ліній і клубків, і вибір, у якій послідовності чергувати кріплення. Тож про структуру і механіку саме процесу будування інженерам відомо замало, чому вчені і вирішили взятися за це завдання. Для дослідження їм знадобилися самки павуків T. sisyphoides (бо ті більші за своїх самців), цвіркуни, щоб їх годувати, рамка для побудови павутиння, камера високої роздільної здатності та лазер на рейках, щоб за цим всім стежити.

Експериментальна установка для дослідження. Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Експериментальна установка для дослідження. Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Що нав'язав вченим павук?

Сканування і моделі показують, що павук формує основу геометрії павутиння протягом перших двох днів будівництва, після чого павук підсилює мережу, не розширюючи її. За сім днів павутиння збільшило свою щільність у 50 разів, причому від нульового до першого дня вона збільшилася на 700 відсотків, між першим і другим — на 400, і лише на дев'ять відсотків між другим і третім. І хоча основної форми набуло всього за перші два, на закінчені і функціональні мережі T. sisyphoides знадобилося чотири дні — протягом двох додаткових ночей він додавав додаткові нитки. Однак, якщо з нульового дня до першого середня довжина волокна збільшується з двох до трьох міліметрів, а з третього дня довжина стає стабільною і становить чотири міліметри. Це ще раз підтверджує, що основна конструкція будується протягом перших двох днів, а потім вона зміцнюється без розширення протягом наступних днів. Використовуючи моделювання неруйнівного одноосного розтягу на різних етапах будівництва павутиння, вченим вдалося показати, що павук спочатку зосереджується на побудові основної структури всього за кілька днів, яка є міцною і пружною. Навіть на ранніх стадіях будівництва полотно дозволяє уникнути катастрофічних руйнувань, бо воно здатне розподілити навантаження. Також чергування вузлів дає змогу павуку відновлювати існуючу мережу без необхідності будувати нову. Загалом методом будівництва у T. sisyphoides є швидка розбудова конструкції з подальшим повільним структурним посиленням.

Проскановане павутиння. Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Проскановане павутиння. Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Яке на якість його павутиння?

Оскільки павутиння природним чином схильне отримувати удари — жертви павуків, сміття та загалом навколишнє середовище, від якого не сховатися, вченим стало цікаво перевірити, з якого моменту павутиння вже здатне виконувати такую свою функцію. Щоб перевірити гіпотезу про те, що павутиння функціонує протягом усього будівництва, вчені запускали невеликі «снаряди» зі швидкістю у пів метра на секунду у різні місця змодельованого павутиння. На схемі нижче показана карта уповільнення снаряда, на якій відношення швидкості після удару до швидкості при ударі забарвлене від червоного до темно-синього для високого уповільнення або відсутності уповільнення, відповідно. Мапи в основному сині, що означає, що співвідношення швидкостей залишається високим для більшості місць ударів. Павутиння пропускає більшість мух, не сповільнюючи їх через низьку щільність полотна. Більшість снарядів потрапляють в одне або кілька волокон і ковзають павутинням. Однак, хоча більша частина здобичі вислизає з мережі, вже з першого дня будівництва можна визначити кілька місць, де муха все ж уповільниться та матиме більше шансів бути спійманою павуком. На кожному етапі будівництва розташування цих місць змінюється, демонструючи, що павук згодом налаштовує свою структуру волокна, хоча основа структури залишається колишньою.

Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Isabelle Su et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences

Вченим вдалося простежити весь процес та, використовуючи, алгоритми обробки зображень, перетворили двомірні зображення шматочків мережі в тривимірне павутиння. За словами дослідників, на одне сканування вистачало 34 хвилин, однак вища швидкість знизила б роздільну здатність знімків. Поліпшити свою установку вчені пропонують інфрачервоним світлом, бо видиме може уповільнювати роботу павука, оскільки той боїться світла.

Це дослідження дає уявлення про механічні та функціональні характеристики тривимірного павутиння під час будівництва і, отже, його структурної еволюції. Із подібними цілями до досліджень взялися вчені, про які ми писали раніше. Наприклад, коли біологи з МКС вирішили поселити павуків в умовах відсутності гравітації та подивитися, що вони сплетуть. Або як біохіміки з другої спроби (та кількох років досліджень) нарешті змогли наблизитися до створення штучного павутиння, яке за характеристиками обійшло плетіння деяких павуків.