為什麼蜘蛛繩降時不會失控打轉

我們觀察到繩降蜘蛛能用自身的拖絲優雅地下滑，而不會不可預測和不可控制地轉起來，於是試圖理解背後的科學。

蜘蛛不僅會用拖絲編織蛛網，也將其用於垂降到地面過程中的救生索。這是蜘蛛產生的最強韌的絲，因為必須要能承受住全部重量。我們知道它具有非凡的性質，比同等重量下的鋼鐵還要強韌。蜘蛛能在室溫下利用簡單的可持續材料製造蛛絲，沒有任何不利影響。

但懸掛在拖絲上的蜘蛛也是穩定旋轉的，大異於掛在一條人造繩索上的重物，不管是麻類植物捲成的天然繩索，還是鋼索。

credit: 煎蛋小編&畫師樂米張

扭轉是研究材料機械性質的最敏感方式。卡文迪許在18世紀利用扭擺在實驗室檢測金屬球間的引力作用。他的實驗被稱作「稱量地球」，因為該實驗測量了牛頓的萬有引力常數「G」。

庫倫也利用扭擺建立了自己的靜電作用力法則。

我們的研究始於華中科技大學，現在在倫敦大學瑪麗皇后學院繼續，基於圖像處理提出了改進扭擺。利用這一方法，記錄了扭擺的往複震蕩，通過分析圖像得到扭轉角度，據此改善了分析蛛絲對扭轉的反應機制的研究方法。

測試蛛絲

我們收集了兩種在實驗室培養的蜘蛛的拖絲，Nephila edulis和大木林蛛Nephila pilipes。我們將拖絲掛在一個圓柱體內部，用兩塊墊片掛在末段模擬蜘蛛的重量。我們用一個旋轉的轉盤扭轉絲線然後釋放，用相機記錄振動。

當對凱夫拉縴維、金屬線以及其他傳統纖維施加扭轉並釋放時，這些纖維就會自轉或者圍繞初始靜止點振蕩。而蛛絲令人訝異之處在於，對於所有扭轉都圍繞一個不同於初始靜止點的位置振蕩。

這意味著蛛絲在第一次變形後「彎」了。橡膠、鋼鐵、石頭、雕塑黏土等所有材料都會在負重時變形，但當負重被移除時就會立即彈回原本的形狀。這被稱為彈性。在更高的負重下，比如對於雕塑黏土而言很小的負重或者是對於鋼鐵而言很高的負重，這些材料會彎曲，永久保持形變。這就是可塑性。蛛絲在初次小形變作用下，是部分可塑也是部分彈性的。一般材料都不是這樣子的，很難解釋一種材料是如何做到這一點的。

蛛絲的彎曲驅散了大部分存儲在扭轉中的能量，這樣就減小了接下來發生的振蕩。否則這些振蕩就會傳遞到吊在底下的蜘蛛。殘餘能量被空氣阻力所耗散，或者是被蛛絲內部的分子結構中的摩擦所耗盡，但我們還不能確定。其他傳統纖維的振蕩則主要是被空氣阻力耗散的。

分子層面

拖絲是由大量「小纖維」組成的，每條小纖維都包含蛋白質，這些蛋白質組成「無定形鏈」和「結晶片」。

無定形鏈之間以氫鍵寬鬆地連接到一起，不具有硬性的形狀。結晶片則具有高度清晰的結構。

我們猜測，在扭轉作用之下，連接較弱的無定形鏈可被很輕易的改變。這種變形結合小纖維之間的摩擦力，能迅速驅散施加的能量。同時，在變形後，結晶片能恢復初始形狀，這樣就保持了蛛絲的形狀。

對拖絲如何抵抗自旋的更好理解可能最終促進具有相同性質的仿生纖維的研發。這可被用於大量領域，比如直升機救援梯和降落傘繩。雖任重道遠，但曙光初露。

論文原文：doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.4990676

本文譯自 conversation，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。David J Dunstan& Dabiao Liu(倫敦大學瑪麗皇后學院)

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