Spindelnät är en av naturens mest fascinerande manifestationer. Många spindlar extruderar proteinhaltigt siden för att väva klibbiga nät som fångar intet ont anande byten som vågar sig in i deras trådar. Trots deras elasticitet, dessa banor har en otrolig draghållfasthet. På senare år har forskare har uttryckt ett ökat intresse för spindelns klotnät som ett biologiskt-mekaniskt system. Webbens sensoriska mekanismer är särskilt fascinerande, med tanke på att de flesta spindlar som väver nät – oavsett deras synnivå – använder genererade vibrationer för att effektivt lokalisera snärjt byte.

"Spindelklotnätet är en naturlig, lättvikt, elegant struktur med ett extremt förhållande mellan styrka och vikt som sällan observeras bland andra strukturer, antingen naturligt eller konstgjort, " sa Antonino Morassi. "Dess primära funktioner är att fånga byten och samla in sensorisk information, och studier av mekanismerna som styr dessa processer genom webbvibrationer har varit ett av de främsta forskningsmålen inom området."

För att förstå mekaniken i orb-webb, forskare har tidigare använt förenklade mönster av vågutbredning eller förlitat sig på numeriska modeller som återger ett spindelnäts exakta geometri via endimensionella element. Även om dessa numeriska modeller hanterar vind, bytesrörelse, och andra vibrationskällor, de saknar insikt i de fysiska fenomen som är ansvariga för webbdynamik. I en artikel som publicerades denna vecka i SIAM Journal on Applied Mathematics , Morassi och Alexandre Kawano presenterar en teoretisk mekanisk modell för att studera det omvända problemet med källidentifiering och lokalisera ett byte i ett spindelnät.

På grund av strukturell sammankoppling mellan de periferiska och radiella gängorna, vibrationer i en orb-bana sprids i sidled och rör sig bortom den stimulerade radien. Denna observation ledde Kawano och Morassi mot realistiska mekaniska modeller som mäter en fibervävs tvådimensionalitet, snarare än mer begränsande endimensionella modeller. "Det fanns ingen mekanisk modell - inte ens en förenklad - som beskrev nätet som det verkligen är:ett tvådimensionellt vibrerande system, " sade Morassi. "Vi bestämde oss för att använda en kontinuerlig membranmodell eftersom teoretiska modeller ofta tillåter en djupare insikt i de fysiska fenomenen genom analys av den underliggande matematiska strukturen för de styrande ekvationerna." Dessa ekvationer är också användbara för att identifiera de mest relevanta parametrarna som diktera en webbs svar.

Författarna klassificerar sin modell som ett nätverk av två korsande grupper av periferiska och radiella trådar som bildar en oavbruten, kontinuerligt elastiskt membran med en specifik fibrös struktur. För att ställa in det omvända problemet, de överväger spindelns dynamiska svar på bytet inducerade vibrationer från mitten av nätet (där spindeln vanligtvis väntar). För enkelhetens skull, Kawano och Morassi begränsar modellens bredd till cirkulära banor. Geometrin på deras modell tillåter en specifik fibrös struktur, vars radiella gängor är tätare mot banans mitt.

Forskarna noterar att den minimala datamängden för att säkerställa unikhet i byteslokaliseringen verkar korrekt återge verkliga data som spindeln samlar in direkt efter att bytet kommit i kontakt med nätet. "Genom att kontinuerligt testa webben, spindeln får den dynamiska responsen från nätet ungefär på en cirkel centrerad vid nätets ursprung, och med radien avsevärt liten med avseende på bandimensionerna, ", sa Kawano. "Numeriska simuleringar visar att identifiering av bytespositionen är ganska bra, även när observationen görs på den diskreta uppsättningen punkter som motsvarar spindelns åtta ben."

I sista hand, författarna hoppas att deras nya mekaniska modell kommer att uppmuntra framtida forskning rörande nästan periodiska signaler och mer allmänna vibrationskällor. De funderar redan på sätt att utöka sin modell ytterligare. "Vi tror att det kan vara av intresse att generalisera inställningen till mer realistiska geometrier - till exempel, för spindelnät som avviker lite från den cirkulära axelsymmetriska formen och endast upprätthåller en enda symmetriaxel, " sade Morassi. "Dessutom, här övervägde vi det transversala dynamiska svaret som orsakas av ortogonal påverkan av ett bytesdjur på nätet. I verkliga situationer, stöten kan vara lutande och orsaka vibrationer i planet att utbreda sig över hela banan. Analysen av dessa aspekter, bland andra, kan ge nya och viktiga insikter, inte bara för bytens fångstproblem utan också för bioinspirerade fibernätverk för avkänningstillämpningar som involverar smarta multifunktionella material."