Functional gradient effects on the energy absorption of spider orb webs

蜘蛛 材料科学 Orb(光学) 工作(物理) 刚度 吸收(声学) 生物系统 蜘蛛丝 复合材料 计算机科学 机械工程 生物 生态学 人工智能 工程类 图像(数学)
作者
Yang Guo,Zheng Chang,Bo Li,Zi-Long Zhao,Hongping Zhao,Xi‐Qiao Feng,Huajian Gao
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:113 (10) 被引量:36
标识
DOI:10.1063/1.5039710
摘要

Owing to their exquisite geometric structures and excellent mechanical properties, spider orb webs possess an outstanding ability to capture flying prey. In this work, we report a mechanism that enhances the energy absorption ability of spider webs. Through systematic measurements of the mechanical properties of both spiral and radial silks, we find that the spiral silks feature a distinct gradient variation in the diameter and tensile stiffness along the radial direction of the web, while the radial silks have a much higher but approximately uniform stiffness. A mechanical model is proposed to reveal the functional gradient effects on the energy absorption of the web. The results show that due to the gradient variation in the mechanical properties of spiral silks, the web exhibits a nearly uniform energy absorption ability regardless of the position where a flying prey impacts the web. This optimal structural feature of the web greatly enhances its efficiency and robustness in prey capture. This work not only helps understand the optimal mechanisms of spider webs but also provides clues for designing anti-impact structures.
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