Spinnenwebben zijn een van de meest fascinerende verschijningsvormen van de natuur. Veel spinnen extruderen eiwitachtige zijde om kleverige webben te weven die nietsvermoedende prooien verstrikken die zich in hun draden wagen. Ondanks hun elasticiteit, deze banen hebben een ongelooflijke treksterkte. In recente jaren, wetenschappers hebben toenemende interesse getoond in het spinnenweb als een biologisch-mechanisch systeem. Vooral de zintuiglijke mechanismen van het web zijn fascinerend, aangezien de meeste webwevende spinnen - ongeacht hun gezichtsvermogen - gegenereerde trillingen gebruiken om verstrikte prooien effectief te lokaliseren.

"Het spinnenweb is een natuurlijk, lichtgewicht, elegante structuur met een extreme sterkte-gewichtsverhouding die zelden wordt waargenomen bij andere structuren, hetzij natuurlijk of door de mens gemaakt, "Zei Antonino Morassi. "De belangrijkste functies zijn het vangen van prooien en het verzamelen van zintuiglijke informatie, en studie van de mechanismen die deze processen door webtrillingen leiden, is een van de belangrijkste onderzoeksdoelen in het veld geweest."

Om de mechanica van orb-webs te begrijpen, onderzoekers hebben eerder vereenvoudigde patronen van golfvoortplanting gebruikt of vertrouwden op numerieke modellen die de exacte geometrie van een spinnenweb reproduceren via eendimensionale elementen. Hoewel deze numerieke modellen voldoende met wind omgaan, prooi beweging, en andere bronnen van trillingen, ze bieden onvoldoende inzicht in de fysieke fenomenen die verantwoordelijk zijn voor webdynamiek. In een artikel dat deze week in de SIAM Journal on Applied Mathematics , Morassi en Alexandre Kawano presenteren een theoretisch mechanisch model om het omgekeerde probleem van bronidentificatie te bestuderen en een prooi in een spinnenweb te lokaliseren.

Vanwege de structurele interconnectiviteit tussen de omtreks- en radiale draden, trillingen in een orb-web spreiden zich zijdelings uit en bewegen buiten de gestimuleerde straal. Deze observatie leidde Kawano en Morassi naar realistische mechanische modellen die de tweedimensionaliteit van een vezelig web meten, in plaats van meer beperkende eendimensionale modellen. "Er was geen mechanisch model - zelfs niet een vereenvoudigd model - dat het web beschreef zoals het werkelijk is:een tweedimensionaal vibrerend systeem, "Zei Morassi. "We hebben besloten om een ​​continu membraanmodel te gebruiken, aangezien theoretische modellen vaak een dieper inzicht in de fysieke verschijnselen mogelijk maken door analyse van de onderliggende wiskundige structuur van de overheersende vergelijkingen." Deze vergelijkingen zijn ook nuttig bij het identificeren van de meest relevante parameters die de reactie van een web dicteren.

De auteurs classificeren hun model als een netwerk van twee elkaar kruisende groepen van omtreks- en radiale draden die een ononderbroken, continu elastisch membraan met een specifieke vezelstructuur. Om het inverse probleem in te stellen, ze houden rekening met de dynamische reactie van de spin op de door de prooi veroorzaakte trillingen vanuit het midden van het web (waar de spin gewoonlijk wacht). Voor de eenvoud, Kawano en Morassi beperken de breedte van het model tot cirkelvormige banen. De geometrie van hun model zorgt voor een specifieke vezelstructuur, waarvan de radiale draden dichter naar het midden van het web toe zijn.

De onderzoekers merken op dat de minimale gegevensset om de uniekheid van de lokalisatie van de prooi te garanderen, de echte gegevens die de spin verzamelt direct nadat de prooi contact heeft gemaakt met het web, nauwkeurig lijkt te reproduceren. "Door het web continu te testen, de spin verwerft de dynamische respons van het web ongeveer op een cirkel gecentreerd op de oorsprong van het web, en met een straal die aanzienlijk klein is met betrekking tot de afmetingen van het lijf, " zei Kawano. "Numerieke simulaties tonen aan dat identificatie van de positie van de prooi vrij goed is, zelfs wanneer de waarneming wordt gedaan op de discrete reeks punten die overeenkomen met de acht poten van de spin."

uiteindelijk, de auteurs hopen dat hun nieuwe mechanische model toekomstig onderzoek met betrekking tot bijna periodieke signalen en meer algemene bronnen van trillingen zal aanmoedigen. Ze denken al na over manieren om hun model verder uit te breiden. "We zijn van mening dat het van belang kan zijn om de benadering te veralgemenen naar meer realistische geometrieën, bijvoorbeeld, voor spinnenwebben die een beetje afwijken van de cirkelvormige assymmetrische vorm en slechts één symmetrieas behouden, "Zei Morassi. "Bovendien, hier beschouwden we de transversale dynamische respons veroorzaakt door orthogonale impact van een prooi op het web. In reële situaties, impact kan hellen en ervoor zorgen dat trillingen in het vlak zich door het web voortplanten. De analyse van deze aspecten, onder andere, kan nieuwe en belangrijke inzichten opleveren, niet alleen voor het vangprobleem van de prooi, maar ook voor bio-geïnspireerde vezelnetwerken voor detectietoepassingen met slimme multifunctionele materialen."