Le ragnatele sono una delle manifestazioni più affascinanti della natura. Molti ragni espellono seta proteica per tessere ragnatele appiccicose che intrappolano prede ignare che si avventurano nei loro fili. Nonostante la loro elasticità, queste tele possiedono un'incredibile resistenza alla trazione. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno espresso un maggiore interesse per la ragnatela come sistema biologico-meccanico. I meccanismi sensoriali del web sono particolarmente affascinanti, dato che la maggior parte dei ragni che tessono ragnatele, indipendentemente dal loro livello di visione, usano le vibrazioni generate per localizzare efficacemente la preda intrappolata.

"La ragnatela è un naturale, leggero, struttura elegante con un rapporto resistenza-peso estremo che si osserva raramente tra le altre strutture, naturale o artificiale, " ha detto Antonino Morassi. "Le sue funzioni primarie sono catturare prede e raccogliere informazioni sensoriali, e lo studio dei meccanismi che guidano questi processi attraverso la vibrazione del web è stato uno dei principali obiettivi di ricerca nel campo."

Per comprendere i meccanismi delle ragnatele orbitali, i ricercatori hanno precedentemente utilizzato modelli semplificati di propagazione delle onde o si sono basati su modelli numerici che riproducono l'esatta geometria di una ragnatela tramite elementi unidimensionali. Mentre questi modelli numerici gestiscono adeguatamente il vento, movimento di prede, e altre fonti di vibrazione, non riescono a fornire informazioni sui fenomeni fisici responsabili delle dinamiche web. In un articolo pubblicato questa settimana su SIAM Journal on Applied Mathematics , Morassi e Alexandre Kawano presentano un modello meccanico teorico per studiare il problema inverso dell'identificazione della fonte e localizzare una preda in una ragnatela.

A causa dell'interconnessione strutturale tra le filettature circonferenziali e radiali, le vibrazioni in una ragnatela si diffondono lateralmente e si spostano oltre il raggio stimolato. Questa osservazione ha portato Kawano e Morassi verso modelli meccanici realistici che misurano la bidimensionalità di una tela in fibra, piuttosto che modelli unidimensionali più limitanti. "Non esisteva un modello meccanico, nemmeno semplificato, che descrivesse la rete così com'è:un sistema vibrante bidimensionale, "Abbiamo deciso di utilizzare un modello a membrana continua poiché i modelli teorici spesso consentono una visione più profonda dei fenomeni fisici attraverso l'analisi della struttura matematica sottostante delle equazioni di governo". Queste equazioni sono utili anche per identificare i parametri più rilevanti che dettare la risposta di un web.

Gli autori classificano il loro modello come una rete di due gruppi intersecanti di fili circonferenziali e radiali che formano un ininterrotto, membrana elastica continua a struttura fibrosa specifica. Per impostare il problema inverso, considerano la risposta dinamica del ragno alle vibrazioni indotte dalla preda dal centro della tela (dove solitamente il ragno attende). Per amore della semplicità, Kawano e Morassi limitano l'ampiezza del modello a ragnatele circolari. La geometria del loro modello consente una struttura fibrosa specifica, i cui fili radiali sono più densi verso il centro del nastro.

I ricercatori notano che il set di dati minimo per garantire l'unicità nella localizzazione della preda sembra riprodurre accuratamente i dati reali che il ragno raccoglie subito dopo che la preda entra in contatto con il web. "Tentando continuamente il web, il ragno acquisisce la risposta dinamica della tela approssimativamente su un cerchio centrato all'origine della tela, e con raggio significativamente piccolo rispetto alle dimensioni del nastro, " ha detto Kawano. "Le simulazioni numeriche mostrano che l'identificazione della posizione della preda è piuttosto buona, anche quando l'osservazione è presa sull'insieme discreto di punti corrispondenti alle otto zampe del ragno."

In definitiva, gli autori sperano che il loro nuovo modello meccanico incoraggerà la ricerca futura relativa a segnali quasi periodici e fonti di vibrazione più generali. Stanno già pensando a come espandere ulteriormente il loro modello. "Riteniamo che possa essere interessante generalizzare l'approccio a geometrie più realistiche, ad esempio per ragnatele che si discostano leggermente dalla forma assialsimmetrica circolare e mantengono un solo asse di simmetria, — disse Morassi. — Inoltre, qui abbiamo considerato la risposta dinamica trasversale causata dall'impatto ortogonale di una preda sul web. Nelle situazioni del mondo reale, l'impatto può essere inclinato e causare la propagazione di vibrazioni nel piano attraverso il nastro. L'analisi di questi aspetti, tra gli altri, può fornire spunti nuovi e importanti, non solo per il problema della cattura della preda, ma anche per reti fibrose bioispirate per applicazioni di rilevamento che coinvolgono materiali multifunzionali intelligenti".