Max Home IndustryПаутина — одно из самых удивительных проявлений природы. Многие пауки экструдируют белковый шелк, чтобы плести липкую паутину, которая заманивает в ловушку ничего не подозревающую добычу, которая решается проникнуть в их нити. Несмотря на свою эластичность, эти полотна обладают невероятной прочностью на разрыв. В последние годы ученые проявили повышенный интерес к паутине-орбите как биомеханической системе. Сенсорные механизмы сети особенно интересны, учитывая, что большинство пауков, плетущих паутину, независимо от уровня их зрения, используют генерируемые вибрации для эффективного обнаружения пойманной добычи.
«Паутина-сфера — это естественная, легкая, элегантная структура с экстремальным соотношением прочности и веса, которое редко наблюдается среди других структур, естественных или искусственных», — сказал Антонино Морасси. «Его основные функции — поимка добычи и сбор сенсорной информации, и изучение механизмов, управляющих этими процессами посредством вибрации сети, было одной из основных исследовательских целей в этой области».
Чтобы понять механику орбитальной сети, исследователи ранее использовали упрощенные модели распространения волн или полагались на численные модели, которые воспроизводят точную геометрию паутины с помощью одномерных элементов. Хотя эти числовые модели адекватно учитывают ветер, движение добычи и другие источники вибрации, они не дают представления о физических явлениях, ответственных за динамику паутины. В статье, опубликованной на этой неделе в SIAM Journal on Applied Mathematics , Морасси и Александр Кавано представляют теоретическую механическую модель для изучения обратной задачи идентификации источника и локализации добычи в паутине. / p>
Из-за структурной взаимосвязи между окружной и радиальной резьбой колебания в круговой паутине распространяются в боковом направлении и выходят за пределы радиуса воздействия. Это наблюдение привело Кавано и Морасси к реалистичным механическим моделям, которые измеряют двумерность волокнистой ткани, а не к более ограниченным одномерным моделям. «Не существовало никакой механической модели, даже упрощенной, которая описывала бы паутину такой, какая она есть на самом деле: двухмерная вибрирующая система», — сказал Морасси. «Мы решили использовать модель непрерывной мембраны, поскольку теоретические модели часто позволяют глубже понять физические явления посредством анализа математической структуры, лежащей в основе основных уравнений». Эти уравнения также полезны для определения наиболее релевантных параметров, определяющих реакцию сети.
Авторы классифицируют свою модель как сеть из двух пересекающихся групп кольцевых и радиальных нитей, которые образуют непрерывную непрерывную эластичную мембрану с определенной волокнистой структурой. Для постановки обратной задачи они рассматривают динамический отклик паука на индуцированные жертвой колебания из центра сети (где паук обычно ждет). Для простоты Кавано и Морасси ограничивают ширину модели круговыми тканями. Геометрия их модели допускает особую волокнистую структуру, радиальные нити которой плотнее к центру полотна.
Исследователи отмечают, что минимальный набор данных, обеспечивающий уникальность локализации жертвы, похоже, точно воспроизводит реальные данные, которые паук собирает сразу после того, как жертва вступает в контакт с сетью. «Постоянно тестируя сеть, паук получает динамическую реакцию сети примерно на круге с центром в начале сети и радиусом, значительно меньшим по сравнению с размерами сети», — сказал Кавано. «Численное моделирование показывает, что определение положения жертвы довольно хорошо, даже когда наблюдение ведется по дискретному набору точек, соответствующих восьми ногам паука».
В конечном итоге авторы надеются, что их новая механическая модель послужит стимулом для будущих исследований, касающихся почти периодических сигналов и более общих источников вибрации. Они уже думают о способах дальнейшего расширения своей модели. «Мы считаем, что может быть интересно обобщить подход к более реалистичной геометрии — например, для паутины, которая немного отклоняется от круговой осесимметричной формы и сохраняет только одну ось симметрии», — сказал Морасси. «Кроме того, здесь мы рассмотрели поперечный динамический отклик, вызванный ортогональным воздействием жертвы на сеть. В реальных ситуациях удар может быть наклонным и вызывать плоские вибрации, распространяющиеся по всей сети. Анализ этих аспектов, в том числе другие могут предоставить новые и важные идеи не только для проблемы поимки добычи, но и для биоинспирированных волокнистых сетей для приложений обнаружения с использованием интеллектуальных многофункциональных материалов ».