Инженерам стоит поучиться у пауков
Секрет прочности паутины не только в устойчивости нитей на разрыв, но и в особом дизайне конструкции.
Паутина – продукция паучьих желез, не перестает привлекать биологов, биотехнологов и инженеров своими необыкновенными свойствами. Они уже давно открыли, что нить из паучьего шелка суперпрочна и потому привлекательна как материал для самых разных конструкций (паучий белок уже научились получать биотехнологически). Но это еще не все секреты, как выяснили исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) и их итальянские коллеги. Одной только прочностью нитей нельзя объяснить устойчивость паутины к повреждениям и порывам ветра. Оказалось, не меньшее значение имеет и особый дизайн конструкции паучьей ловчей сети.
Чтобы разобраться в секретах паутины, Маркус Бюлер (Markus Buehler) и его коллеги использовали как наблюдения в природе, так и компьютерное моделирование. Свои изыскания они опубликовали в журнале Nature.
В состав ловчей сети входят два вида нитей: каркасные, и липкие. Прочные каркасные нити расположены радиально – это механическая основа паутины. Липкие нити, влажные и гибкие, расходятся из центра сети по спирали, они прилипают к жертве и затягивают ее в ловушку.
Биологи изучили строение сетей пауков-крестовиков, построенных по стандартному спирально-радиальному плану. Они растягивали спиральные и радиальные нити и снимали на видео. Ученые использовали также компьютерное моделирование, чтобы разобраться, что происходит в паутине при сильной нагрузке.
Вот что показала «виртуальная модель» паутины. Как и ожидали ученые, на нагрузку в одном месте реагирует вся сеть. Такая чувствительность паутины необходима, чтобы сигнализировать пауку о пойманной добыче. Но если нагрузка чрезмерна, нити в одном участке паутины рвутся, чтобы разгрузить всю конструкцию и сохранить ее работоспособность. Причем рваться, в зависимости от силы воздействия, могут как спиральные, так и радиальные нити. Во втором случае паутина деформируется, но продолжает работать. То есть, паук жертвует частью, чтобы сохранить целое.
Такое поведение нитей паутины обеспечивается их уникальным строением – сочетанием аморфного белка с упорядоченными кристаллами, объясняют ученые.
Ученые подчеркивают, что такой принцип очень интересен с инженерной точки зрения. «Обычно инженерные конструкции выдерживают нагрузки до какого-то предела, но при превышении этого предела их поведение трудно предсказать, - объясняет Стивен Крэнфорд (Steven Cranford), участник исследования. – Паук решил эту проблему, заставив часть жертвовать собой в пользу целого. Такой подход уменьшает непредсказуемость конструкций при перегрузке».