الهام از آیه 41 سوره مبارکه عنکبوت در علم و فناوری

چکیده

سستی خانه عنکبوت یکی از ژرف‌ترین و زیباترین تمثیل‌های الهی است که خداوند در آیه 41 سوره عنکبوت برای تبیین ضعف درونی ساختارهایی به کار برده است که با وجود ظاهر قدرتمند و پایدار، در برابر عظمت و اراده الهی شکننده‌اند. این تمثیل، جلوه‌ای از اعجاز قرآن در بیان حقایقی است که هم علمی، هم عرفانی و هم اجتماعی هستند. خداوند با عبارت‌های «لَوْ كَانُوا يَعْلَمُونَ» و «مَا يَعْقِلُهَا إِلَّا الْعَالِمُونَ» در این آیه و آیه 43، تأکید می‌کند که فهم این مثال بدون علم و آگاهی امکان‌پذیر نیست، زیرا تعقل در این موضوع نیازمند دانش است و تنها عالمان می‌توانند به ژرفای این تمثیل راه یابند. تار عنکبوت، اگرچه ظاهری ظریف و شکننده دارد، اما از پیشرفته‌ترین فراماده‌های زیستی (Bio-Metamaterial) جهان ساخته شده‌است. این پژوهش با مطالعات گسترده بر روی تحقیقات انجام شده پیرامون این فراماده زیستی و تاثیر آن در پیشرفت علم و تکنولوژی، آن را در 4 بخش ارائه می‌دهد و 6 حوزه را به عنوان تحقیقات پیشرو برای مطالعات معرفی می‌نماید.

کلیدواژه‌ها: فراماده‌های زیستی، تار عنکبوت، ابریشم عنکبوت.

• مقدمه

سستی خانه عنکبوت یکی از ژرف‌ترین و زیباترین تمثیل‌های الهی است که خداوند در آیه 41 سوره عنکبوت برای تبیین ضعف درونی ساختارهایی به کار برده است که با وجود ظاهر قدرتمند و پایدار، در برابر عظمت و اراده الهی شکننده‌اند. این تمثیل، جلوه‌ای از اعجاز قرآن در بیان حقایقی است که هم علمی، هم عرفانی و هم اجتماعی هستند. خداوند با عبارت‌های «لَوْ كَانُوا يَعْلَمُونَ» و «مَا يَعْقِلُهَا إِلَّا الْعَالِمُونَ» در این آیه و آیه 43، تأکید می‌کند که فهم این مثال بدون علم و آگاهی امکان‌پذیر نیست، زیرا تعقل در این موضوع نیازمند دانش است و تنها عالمان می‌توانند به ژرفای این تمثیل راه یابند.

تار عنکبوت، اگرچه ظاهری ظریف و شکننده دارد، اما از پیشرفته‌ترین فراماده‌های زیستی (Bio-Metamaterial) جهان ساخته شده‌است. این تارها، که از پروتئین‌هایی خاص تشکیل شده‌است، از لحاظ مقاومت کششی قوی‌تر از فولاد و از نظر سبکی و انعطاف‌پذیری بی‌نظیر می‌باشد. در جهان طبیعت، اگر همه چیز در حد مگس و زنبور تعریف شده‌بود، عنکبوت با خانه‌ای ساخته‌شده از این مواد شگفت‌انگیز و شگردهای پیشرفته، بزرگ‌ترین ابرقدرت جهان به شمار می‌رفت. اما در جهان واقعی، هیچ خانه‌ای به اندازه خانه عنکبوت با وجود چنین ماده‌ای پیشرفته، این چنین آسان تخریب نمی‌شود. همین تناقض میان قدرت و ضعف، پیامی عمیق در خود نهفته دارد: انسان با همه توانایی‌ها و دستاوردهایش، هنوز اندر خم کوچه‌ای از دانش عنکبوت است. اگر چنین است، این انسان با چه قدرتی می‌خواهد در برابر فجایع طبیعی و عذاب الهی تاب بیاورد؟ و به چه چیزی می‌تواند تکیه کند تا از عذاب این دنیا و آن دنیا در امان بماند، اگر یاوری جز خدا برای خود تصور کند؟

خانه عنکبوت، با همه پیچیدگی‌ها و شگفتی‌هایش، نمادی از تمدن‌ها و ساختارهای اجتماعی و سیاسی است که انسان‌ها می‌سازند. این تمدن‌ها، اگرچه به ظاهر پیچیده و قدرتمند به نظر می‌رسند، در برابر قدرت الهی همچون تار عنکبوت، شکننده و بی‌پناه‌اند. خداوند با این آیه به انسان‌ها هشدار می‌دهد که به جای اتکا به قدرت محدود خویش، به خداوند توکل کنند و بدانند که تنها اوست که می‌تواند آنان را از مخاطرات و عذاب‌ها در امان بدارد. خداوند در این آیه، خانه عنکبوت را به عنوان نمادی از تمدن‌ها، ساختارها و انسان‌هایی معرفی می‌کند که با وجود ظاهر پیچیده و شکوهمندشان، در برابر قدرت الهی هیچ پایداری‌ای ندارند. تمدن‌هایی چون عاد، که کاخ‌هایی استوار در دل زمین بنا کردند، و ثمود، که دژهایی از دل کوه‌ها تراشیدند، انسان‌هایی که به زر، زور و تزویر فریفته شدند: قارون که نماد ثروت بی‌پایان است، فرعون که مظهر قدرت مطلق است، و هامان که چهره نیرنگ و سیاست‌بازی است. همه بازتابی از خانه عنکبوت‌اند.اما این تمدن‌ها و انسان ها که همچون تار عنکبوت در برابر همتایانشان پیچیده و قدرتمند به نظر می‌رسیدند، در برابر توفان الهی نابود شدند. این مثال هشداری است که هرچه انسان می‌سازد، اگر بر پایه اتکا به خدا نباشد، در نهایت به ضعف و فنا محکوم است.

در کنار این هشدار، این آیه دعوتی است به علم‌آموزی و تفکر. خداوند با نشان دادن سازوکار خانه‌سازی عنکبوت و ساختار پیچیده تارهای آن، از ما می‌خواهد که به دانش بی‌نظیری که در این موجود کوچک نهفته است، بیندیشیم. این حشره کوچک، با خانه‌ای ساخته‌شده از قوی‌ترین مواد شناخته‌شده در طبیعت، عالمان ما را به چالش می‌کشد و همچنان اسرار بسیاری برای انسان‌ها باقی گذاشته است. اما همین خانه، که از چنین فناوری پیشرفته‌ای بهره می‌برد، در برابر باد و باران دوام نمی‌آورد. خداوند می‌خواهد ما با یادگیری و تعمق در این علم پیچیده، ضعف و شکنندگی این ساختار را نیز دریابیم تا بدانیم که هیچ قدرتی جز خدا نمی‌تواند ما را در برابر قدرت عظیم او یاری کند.

این آیات، پیامی دوگانه دارند: از یک سو، ما را به تأمل و فراگیری علم دعوت می‌کنند تا از سازوکارهای پیچیده خلقت درس بگیریم و از سوی دیگر، بر سستی و ناپایداری هر چیزی که بر پایه‌ای جز اتکا به خدا بنا شود، هشدار می‌دهند. انسانی که هنوز در درک کامل خانه‌سازی عنکبوت عاجز است، چگونه می‌تواند تمدنی بنا کند که در برابر قدرت خداوند پابرجا بماند؟ این تمثیل، تلنگری به ذهن انسان است تا او را از غرور و اعتماد به توانایی‌های محدودش باز دارد و به سوی ایمان و توکل به خالق بی ‌نهایت سوق دهد. و «مَا يَعْقِلُهَا إِلَّا الْعَالِمُونَ».

2. روش شناسی تحقیق

1-2. روش‌شناسی پژوهش در بخش تحقیق دینی و قرآنی:

در این مطالعه با استناد به آیه 31 سوره مائده به تفاسیر معتبر از جمله تفسیر المیزان في تفسیر القرآن، تفسیر نمونه، الأمثل في تفسیر کتاب الله المنزل، التبيان في تفسير القرآن، مجمع البيان، تفسير جوامع الجامع، بیان السعادة في مقامات العبادة، جامع البیان عن تاویل آی القرآن (تفسیر الطبری)، الدر المنثور في التفسیر بالمأثور، التفسیر الکبیر (مفاتيح الغیب)، الکشاف، الكشف والبيان في تفسير القرآن (تفسير الثعلبي)، تفسیر روح البیان، التحریر و التنویر من التفسیر (إبن عاشور)، تفسیر کبیر منهج الصادقين في إلزام المخالفين، تفسير الجلالين، تفسیر قرآن مهر، تفسير القمي، تفسير نور الثقلين، تفسير الصافي، تفسير كنز الدقائق و بحر الغرائب، و غیره مراجعه شده‌است.

2-2. روش‌شناسی پژوهش در بخش تحقیق علمی:

سه نکته استخراج شده از آیه 41 سوره عنکبوت، به عنوان سرنخ‌های علمی مورد بررسی و جستجوی همه جانبه در مجلات معتبر Nature، Science  و مجلات تخصصی‌تر در این حوزه با Impact Factor بیشتر از 5، که پژوهش‌های علمی تراز اول را در دنیا منتشر می‌کنند، قرارگرفته‌است. این جستجو با استفاده از کلمات Spider، Spider-web، Spider Silk، Technology انجام شده‌است. خروجی این جستجو بر اساس مفاهیم برداشت شده از آیه دسته‌بندی و مقالاتی که بیشترین تناسب را با موضوع و مساله پژوهش داشته‌اند، انتخاب گردیده‌است.

3. انجام تحقیق، نتایج و بحث

در دنیای طبیعت، برخی از مواد چنان شگفت‌انگیز هستند که مرزهای تصور بشری را به چالش می‌کشند. یکی از این شاهکارهای طبیعی، ابریشم عنکبوت است. این ماده فوق‌العاده، با خواصی که به‌سختی می‌توان در مواد مصنوعی بازتولید کرد، ترکیبی از استحکام، کشسانی، سبکی و چقرمگی را در خود جای داده است. ابریشم عنکبوت به‌طور شگفت‌آوری پنج برابر مستحکم‌تر از فولاد و دو برابر کشسان‌تر از الیاف کولار است، در حالی که وزنی بسیار کمتر دارد [1, 2]. این ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد ناشی از ساختار پروتئینی خاص آن است که شامل نواحی β-sheet و آمورف می‌شود و تعادلی بی‌نظیر بین استحکام و انعطاف‌پذیری ایجاد می‌کند [3, 4].

تار عنکبوت، که با دقت و پیچیدگی توسط عنکبوت‌ها بافته می‌شود، نه‌تنها پناهگاه و ابزار شکار، بلکه الگویی برای طراحی‌های مهندسی و مواد هوشمند است. معماری شعاعی و مارپیچی این تارها به‌گونه‌ای طراحی شده است که حتی با وجود نقص‌های جزئی، قابلیت تحمل نیروهای شدید را دارد [2, 5]. از طرف دیگر، تار عنکبوت با خواص چسبندگی و حسگری ارتعاشی‌اش، به عنکبوت اجازه می‌دهد تا حرکات ظریف شکار خود را از فاصله دور شناسایی کند. مطالعات علمی بر روی ابریشم و تار عنکبوت سابقه‌ای طولانی دارد و از مشاهده‌های اولیه طبیعت‌گرایان آغاز شده است. در قرن نوزدهم، اولین بررسی‌های سیستماتیک بر روی خواص مکانیکی تارهای عنکبوت توسط دانشمندان انجام شد، که توجه آن‌ها را به استحکام و کشسانی بالای این ماده جلب کرد [1]. با پیشرفت علم مواد در قرن بیستم، استفاده از روش‌های طیف‌سنجی و میکروسکوپ الکترونی به دانشمندان امکان داد تا ساختار مولکولی ابریشم، شامل β-sheet های کریستالی و نواحی آمورف، را شناسایی کنند [4, 5].

اما این فقط آغاز داستان است. از دهه 1990، تلاش‌ها برای تولید ابریشم مصنوعی شدت گرفت و مهندسی ژنتیک به‌عنوان ابزاری برای بازتولید اسپیدروئین‌های عنکبوت معرفی شد [3]. در دهه‌های اخیر، تمرکز تحقیقات به سمت نانوساختارهای تار، خواص ارتعاشی، و کاربردهای الهام‌بخش آن در فناوری‌های پیشرفته،معطوف شده است [6, 7]. این مطالعات، از ساختارهای زیستی و رفتارهای پیچیده عنکبوت‌ها الهام گرفته و فصل جدیدی در علم مواد و مهندسی باز کرده‌اند. تار عنکبوت الهام‌بخش دانشمندان در حوزه‌های مختلفی از جمله مهندسی پزشکی، علم مواد، فناوری دفاعی و حتی پرینت چهار بعدی بوده است [8, 9]. توانایی عنکبوت در تبدیل محلول پروتئینی به فیبر جامد در دما و فشار محیط، همچنان یکی از معماهای علم مواد است که تلاش‌های بسیاری برای شبیه‌سازی آن در مقیاس صنعتی صورت گرفته است [4, 10].

این مقاله به بررسی دقیق شگفتی‌های ابریشم و تار عنکبوت، از ساختار مولکولی گرفته تا کاربردهای الهام‌بخش آن در فناوری، می‌پردازد و دریچه‌ای تازه به دنیای یکی از پیشرفته‌ترین سیستم‌های طراحی‌شده توسط طبیعت باز می‌کند. عنکبوت‌ها با دنیای کوچک و خاموش خود، ما را به فکر فرو می‌برند که چگونه می‌توان از ظرافت و مهارت طبیعت برای حل بزرگ‌ترین چالش‌های بشری الهام گرفت.

بخش 1. ساختار و ترکیب ابریشم عنکبوت

این بخش به بررسی ساختار مولکولی، ویژگی‌های مکانیکی، و تأثیر شرایط محیطی بر ابریشم عنکبوت می‌پردازد. همچنین فرآیند تولید ابریشم توسط عنکبوت و تبدیل محلول پروتئینی به فیبر جامد را شامل می‌شود.

• فرآیند تولید ابریشم

فرآیند تولید ابریشم عنکبوت یک شاهکار زیستی است که از تولید محلول پروتئینی اسپیدروئین در غدد مخصوص آغاز می‌شود. این محلول شامل پروتئین‌هایی با وزن مولکولی بالا است که به دلیل ترکیب خاص خود، قابلیت تبدیل به فیبر جامد و مستحکم را دارد. محلول اسپیدروئین در شرایط کنترل‌شده با pH مناسب و غلظت یونی در غدد ذخیره می‌شود تا از تشکیل ساختارهای ناخواسته جلوگیری شود [4, 11].

در مرحله نخریسی، محلول از طریق مجرای باریکی به نام اسپینرت عبور می‌کند. در این مرحله، تغییرات شیمیایی و مکانیکی کلیدی رخ می‌دهد؛ از جمله کاهش pH و اعمال کشش مکانیکی که باعث بازآرایی زنجیره‌های پلی‌پپتیدی و تشکیل ساختارهای بلوری β-sheet می‌شود. این تغییر فازی، محلول را به یک فیبر جامد تبدیل می‌کند [3, 5].

عنکبوت می‌تواند کشش و ضخامت فیبر را با تنظیم نیرو و سرعت عبور از اسپینرت کنترل کند، و بسته به نیاز، فیبرهایی با خواص مختلف تولید کند. پس از نخریسی، فیبر در معرض هوا قرار گرفته و طی فرآیند خشک شدن تثبیت می‌شود. این مرحله باعث تشکیل کامل نواحی بلوری و آمورف و ایجاد تعادل دقیق بین استحکام و انعطاف‌پذیری می‌شود. نخریسی مکانیکی، که مهم‌ترین بخش این فرآیند است، تعادل بین نواحی بلوری سخت و نواحی آمورف انعطاف‌پذیر را تضمین می‌کند و به ابریشم خواص مکانیکی منحصربه‌فردی می‌بخشد [2, 7]. این فرآیند در دما و فشار محیط با کارایی انرژی بالا انجام می‌شود و الهام‌بخش تولید مواد مصنوعی پیشرفته بوده است. توانایی عنکبوت در تنظیم این فرآیند پیچیده، الگویی برای تولید پایدار و کارآمد مواد در مهندسی مدرن فراهم کرده است [3, 12].

• قدرت بازیافت و بازسازی ابریشم

ابریشم عنکبوت یکی از معدود مواد زیستی است که قابلیت بازیافت کامل را دارد. این ویژگی منحصر‌به‌فرد، ناشی از ساختار شیمیایی و ویژگی‌های بیوفیزیکی پروتئین اسپیدروئین است که امکان تخریب کنترل‌شده، بازیابی و بازسازی تارهای فرسوده را فراهم می‌کند. زمانی که عنکبوت تصمیم به بازسازی شبکه تار خود می‌گیرد، تارهای قدیمی و آسیب‌دیده را با استفاده از دهان جمع‌آوری می‌کند. این تارها سپس وارد یک فرآیند آنزیمی پیچیده می‌شوند، جایی که تحت تأثیر آنزیم‌های پروتئولیتیک به قطعات کوچک‌تر و اسیدهای آمینه تجزیه می‌شوند. این محصولات حاصل از تخریب، شامل اسیدهای آمینه آزاد و الیگومرهای کوچک، سپس به غدد تولید ابریشم منتقل می‌شوند. در غدد، این مولکول‌ها مجدداً وارد فرآیند سنتز پروتئین می‌شوند و برای تولید اسپیدروئین‌های جدید مورد استفاده قرار می‌گیرند [13, 14].

ویژگی‌های شیمیایی اسپیدروئین که بازیافت آن را ممکن می‌سازد، شامل حلالیت بالا در آب و قابلیت بازآرایی ساختاری است. نواحی آمورف موجود در اسپیدروئین به‌راحتی تحت تأثیر آنزیم‌ها و عوامل محیطی حل و تجزیه می‌شوند، در حالی که ساختار بلوری β-sheet، با وجود پایداری مکانیکی، به‌صورت کنترل‌شده تحت فرآیند تخریب قرار می‌گیرد. این ترکیب به عنکبوت اجازه می‌دهد تا تارهای قدیمی را به اجزای پایه‌ای خود بازگرداند و از آن‌ها برای تولید تارهای جدید استفاده کند، بدون اینکه خواص مکانیکی فیبر نهایی تحت تأثیر قرار گیرد [4].

از منظر زیستی، بازیافت ابریشم عنکبوت دارای چندین مزیت مهم است. نخست، این فرآیند به عنکبوت امکان می‌دهد تا در محیط‌هایی که منابع غذایی محدود است، با بهره‌وری انرژی بالا، شبکه‌های جدید تولید کند. تولید ابریشم از ابتدا نیاز به مصرف مقادیر زیادی انرژی دارد، در حالی که بازیافت این ماده به‌طور قابل‌توجهی انرژی مصرفی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، بازیافت تار از تجمع زباله‌های زیستی در محیط جلوگیری می‌کند و به حفظ تعادل اکولوژیکی کمک می‌کند. در نهایت، توانایی بازآرایی ساختار مولکولی اسپیدروئین به عنکبوت این امکان را می‌دهد که تارهای جدید را متناسب با شرایط محیطی و نیازهای زیستی خود تنظیم کند [15]. یک نمونه زیستی برجسته از این رفتار در عنکبوت‌های Orb-weaver دیده می‌شود که به‌طور منظم شبکه‌های خود را تخریب کرده و بازیافت می‌کنند. این رفتار به‌ویژه در محیط‌هایی با منابع محدود غذایی مشاهده می‌شود، جایی که بازیافت تارهای قدیمی، مواد اولیه کافی برای ساخت شبکه‌های جدید را فراهم می‌کند. در واقع، این توانایی بازیافت، نوعی مکانیسم بقا برای عنکبوت‌ها محسوب می‌شود [13]. این ویژگی منحصربه‌فرد ابریشم عنکبوت الهام‌بخش توسعه مواد مصنوعی با قابلیت بازیافت شده است. طراحی موادی که بتوانند مانند ابریشم عنکبوت، به‌راحتی تجزیه و بازسازی شوند، پتانسیل زیادی در کاهش مصرف انرژی و کاهش زباله‌های صنعتی دارد. چنین موادی می‌توانند در صنایعی مانند پزشکی، مهندسی زیستی و تولید پایدار کاربرد داشته باشند، جایی که چرخه‌های بسته تولید و استفاده مجدد اهمیت بیشتری پیدا کرده‌اند [14].

2-1. ساختار مولکولی و پروتئین‌های اسپیدروئین

ابریشم عنکبوت از پروتئین‌های اختصاصی به نام اسپیدروئین‌ها تشکیل شده است که ساختار مولکولی منحصربه‌فردی دارند و مسئول ایجاد خواص استثنایی این ماده هستند. اسپیدروئین‌ها از زنجیره‌های بلند پلی‌پپتیدی تشکیل شده‌اند و شامل دو بخش اصلی هستند: ناحیه بلوری (β-sheet) و ناحیه آمورف. این دو بخش باهم ترکیبی از استحکام، انعطاف‌پذیری و چقرمگی را فراهم می‌کنند که در مواد طبیعی و مصنوعی نادر است [3, 4]. ناحیه بلوری (β-sheet) به عنوان مرکز استحکام شناخته می‌شود. ناحیه بلوری شامل صفحات موازی و ضد موازی β-sheet است که با پیوندهای هیدروژنی قوی به هم متصل شده‌اند. این ساختار فشرده و پایدار نقش اسکلت مکانیکی را در فیبر ایفا می‌کند و مسئول استحکام کششی بالا و مقاومت در برابر گسیختگی است. بلورهای β-sheet در ابریشم عنکبوت کوچک‌تر از مواد بلوری دیگر مانند فولاد یا کولار هستند، اما تعداد بالای آن‌ها در سطح نانومتری باعث می‌شود فیبر در عین سبک بودن، مقاومت فوق‌العاده‌ای داشته باشد [1]. بلورهای β-sheet به‌صورت پراکنده در ساختار فیبر قرار دارند و به فیبر توانایی تحمل تنش‌های بالا را می‌دهند. این نواحی همچنین در شرایط محیطی مختلف، مانند تغییرات دما و رطوبت، پایداری مکانیکی خود را حفظ می‌کنند. در فرآیند نخ‌ریسی، نواحی β-sheet در اثر تغییرات شیمیایی (مانند کاهش pH) و کشش مکانیکی در محلول اسپیدروئین شکل می‌گیرند، که این نشان‌دهنده تطبیق‌پذیری و کنترل دقیق عنکبوت بر ساختار فیبر است [11].

از طرف دیگر، ناحیه آمورف به عنوان مرکز انعطاف‌پذیری شناخته شده‌است. ناحیه آمورف شامل زنجیره‌های پلی‌پپتیدی نامنظم است که انعطاف‌پذیری و خاصیت کشسانی به ابریشم می‌بخشد. این ناحیه عمدتاً از آمینو اسیدهای گلیسین و آلانین تشکیل شده است که به زنجیره‌ها اجازه می‌دهد تا تحت تنش مکانیکی تغییر شکل دهند و انرژی زیادی را جذب کنند. نقش ناحیه آمورف در افزایش چقرمگی و قابلیت کشسانی ابریشم بسیار مهم است، زیرا این بخش از تمرکز تنش در یک نقطه جلوگیری می‌کند و آن را در سراسر فیبر توزیع می‌کند [2]. نواحی آمورف همچنین مسئول رفتار خاص ابریشم در محیط‌های مرطوب هستند. در حضور رطوبت، این نواحی نرم‌تر شده و قابلیت جذب انرژی بیشتری پیدا می‌کنند. این ویژگی در کاربردهای بیومیمتیکی، مانند طراحی مواد هوشمند و تطبیق‌پذیر، بسیار مورد توجه است [7]. تعامل نواحی بلوری و آمورف، کلید خواص مکانیکی منحصر به ‌فرد ابریشم است. نواحی بلوری استحکام و پایداری مکانیکی را تضمین می‌کنند، در حالی که نواحی آمورف قابلیت کشسانی و جذب انرژی را فراهم می‌کنند. این تعامل به فیبر اجازه می‌دهد تا در برابر تنش‌های مکانیکی شدید مقاومت کند و قبل از شکست، مقادیر زیادی انرژی را جذب کند. توزیع این دو ناحیه در ساختار فیبر، به‌صورت بهینه تنظیم شده است تا تعادلی بی‌نظیر بین سختی و انعطاف‌پذیری ایجاد کند [3, 4].

نقش محیط و فرآیند نخریسی در شکل‌گیری اسپیدروئین‌ها موثر است. محیط تولید اسپیدروئین در غدد عنکبوت، شامل شرایط خاص pH و غلظت یونی، نقش مهمی در حفظ پایداری محلول پروتئینی دارد. در مرحله نخریسی، تغییرات فیزیکی و شیمیایی باعث ایجاد ساختارهای بلوری β-sheet و ماتریس آمورف می‌شود. کشش مکانیکی در این فرآیند باعث تراز شدن زنجیره‌های پلی‌پپتیدی می‌شود و ساختار نهایی فیبر را شکل می‌دهد [11].

3-1. ویژگی‌های مکانیکی ابریشم عنکبوت

ابریشم عنکبوت یکی از پیچیده‌ترین مواد طبیعی است که ویژگی‌های مکانیکی استثنایی آن، شامل استحکام بالا، کشسانی، چقرمگی و رفتار پاسخ‌گوی محیطی، از تعامل ساختارهای مولکولی آن ناشی می‌شود. ترکیب جدیدترین مقالات با تحلیل‌های قبلی نشان‌دهنده عمق بیشتری در درک این ویژگی‌ها است.

• استحکام کششی بالا

استحکام کششی ابریشم عنکبوت یکی از بارزترین ویژگی‌های آن است که ناشی از ساختار بلوری β-sheet است. این ساختارها با پیوندهای هیدروژنی قوی در کنار نواحی آمورف قرار گرفته‌اند و باعث می‌شوند فیبر بتواند بارهای سنگین را بدون شکست تحمل کند. در برخی گونه‌ها، استحکام کششی ابریشم معادل یا حتی بیشتر از فولاد با همان وزن است [1, 13].

• کشسانی فوق‌العاده

ابریشم عنکبوت می‌تواند تا 30 درصد طول اولیه خود کشیده شود، بدون اینکه دچار شکست شود. این خاصیت به دلیل وجود نواحی آمورف است که اجازه می‌دهند زنجیره‌های پلی‌پپتیدی در پاسخ به تنش، تغییر شکل دهند و انرژی مکانیکی را جذب کنند. این کشسانی، به ابریشم توانایی حفظ استحکام حتی در تغییرات محیطی مختلف را می‌دهد [4, 14].

• چقرمگی بالا

چقرمگی ابریشم، که به توانایی ماده در جذب انرژی قبل از شکست اشاره دارد، یکی از ویژگی‌های برجسته آن است. ترکیب نواحی بلوری و آمورف باعث می‌شود تنش مکانیکی به‌طور مساوی در فیبر توزیع شود و فیبر بتواند انرژی زیادی را جذب کند. این ویژگی به ابریشم عنکبوت اجازه می‌دهد حتی در شرایط سخت مکانیکی، پایداری خود را حفظ کند [2, 16].

• خاصیت سوپرانقباض

ابریشم عنکبوت می‌تواند در حضور رطوبت به‌طور قابل‌توجهی منقبض شود (تا 50 درصد طول اولیه). این خاصیت، که به عنوان سوپرانقباض شناخته می‌شود، به دلیل جذب مولکول‌های آب در نواحی آمورف و بازآرایی زنجیره‌های پروتئینی است. این ویژگی به عنکبوت اجازه می‌دهد ساختار تار خود را در پاسخ به تغییرات محیطی تنظیم کند [12, 15].

• رفتار دینامیکی و پاسخ‌گویی به رطوبت

ابریشم عنکبوت توانایی منحصربه‌فردی در پاسخ به رطوبت و آب دارد. در شرایط مرطوب، نواحی آمورف نرم‌تر می‌شوند و ابریشم انعطاف‌پذیری و چقرمگی بیشتری از خود نشان می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود فیبر بتواند به‌طور تطبیقی در محیط‌های مختلف عمل کند. تحقیقات اخیر نشان داده است که حرکت مولکول‌های آب در نواحی آمورف نقش کلیدی در این رفتار دارد و می‌تواند برای توسعه مواد هوشمند الهام‌بخش باشد [7, 15].

• مقاومت در برابر خستگی مکانیکی

ابریشم عنکبوت می‌تواند بارگذاری‌های مکرر را تحمل کند، بدون اینکه خواص مکانیکی خود را از دست بدهد. این ویژگی، که به مقاومت در برابر خستگی مکانیکی معروف است، ناشی از تعامل انعطاف‌پذیری نواحی آمورف و استحکام نواحی بلوری است. این خاصیت برای کاربردهایی که نیاز به چرخه‌های بارگذاری مکرر دارند، مانند ابزارهای مهندسی و مواد هوشمند، بسیار ارزشمند است [2, 14].

• خواص کامپوزیتی

تحقیقات نشان داده است که برخی از انواع ابریشم عنکبوت، مانند گونه Saccodomus formivorus، از کامپوزیت‌های متشکل از میکروفیبرها و زیرمیکروفیبرها ساخته شده‌اند. این ساختار چندمقیاسی باعث افزایش مقاومت مکانیکی و کاهش وزن فیبر شده و آن را به یکی از بهینه‌ترین مواد طبیعی تبدیل کرده‌است [16].

4-1. اثر شرایط محیطی و مکانیکی

ابریشم عنکبوت ماده‌ای تطبیق‌پذیر است که خواص مکانیکی آن به‌طور قابل ‌توجهی تحت تأثیر شرایط محیطی مانند رطوبت و دما و همچنین شرایط مکانیکی مانند نرخ کرنش قرار می‌گیرد. این تأثیرات ناشی از تعامل دقیق نواحی بلوری (β-sheet) و آمورف در پروتئین اسپیدروئین است.

رطوبت یکی از مهم‌ترین عوامل محیطی است که خواص مکانیکی ابریشم را تغییر می‌دهد. در محیط‌های مرطوب، مولکول‌های آب به نواحی آمورف نفوذ کرده و پیوندهای ضعیف‌تر را می‌شکنند. این فرآیند باعث نرم‌تر شدن نواحی آمورف می‌شود و انعطاف‌پذیری و چقرمگی فیبر را افزایش می‌دهد، در حالی که ممکن است استحکام کششی کاهش یابد. برای مثال، در شرایط بارانی، تار عنکبوت می‌تواند انرژی بیشتری را جذب کند و کشش بیشتری را تحمل کند [7, 15]. در همین حال، رطوبت می‌تواند پدیده سوپرانقباض را فعال کند، که در آن طول تار به دلیل بازآرایی زنجیره‌های پلی‌پپتیدی در نواحی آمورف تا 50 درصد کاهش می‌یابد. این ویژگی به عنکبوت کمک می‌کند تا تنش‌های وارده بر تارهای خود را تنظیم کرده و از پارگی شبکه جلوگیری کند [12].

دما یکی دیگر از عوامل محیطی مؤثر بر ابریشم عنکبوت است. در دماهای پایین، نواحی بلوری (β-sheet) ساختار پایدار خود را حفظ می‌کنند و استحکام فیبر دست‌نخورده باقی می‌ماند. اما در دماهای بالا، نواحی آمورف ممکن است تغییر شکل داده و خواص مکانیکی کلی فیبر کاهش یابد. برای مثال، در روزهای گرم تابستان، کشسانی تارهای عنکبوت ممکن است به دلیل تغییرات در نواحی آمورف کاهش یابد، اما همچنان به لطف پایداری نواحی بلوری، عملکرد کلی تار حفظ می‌شود [14].

علاوه بر شرایط محیطی، نرخ کرنش یا سرعت اعمال تنش نیز تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار ابریشم دارد. اگر تنش به‌سرعت اعمال شود (نرخ کرنش بالا)، نواحی آمورف فرصت کافی برای بازآرایی ندارند و رفتار ماده بیشتر به نواحی بلوری وابسته است، که باعث افزایش استحکام اما کاهش انعطاف‌پذیری می‌شود. در مقابل، اگر تنش به‌آرامی اعمال شود (نرخ کرنش پایین)، نواحی آمورف فرصت بیشتری برای تغییر شکل دارند و چقرمگی و انعطاف‌پذیری ماده افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، در هنگام وزش باد شدید و ناگهانی، تار عنکبوت به لطف نواحی بلوری مقاوم باقی می‌ماند، اما در باد ملایم، انعطاف‌پذیری بیشتری از خود نشان می‌دهد [7].

با وجود تمام شگفتی‌ها و تطبیق‌پذیری‌های ابریشم عنکبوت، این ماده محدودیت‌هایی نیز دارد که تحت شرایط خاص آشکار می‌شوند. تار عنکبوت به‌طور طبیعی برای تحمل نیروهای پراکنده و متناوب، مانند باد ملایم، قطرات باران، یا وزن حشرات کوچک طراحی شده است. این نیروها در محدوده خواص مکانیکی و تطبیقی تار قرار دارند و نواحی بلوری و آمورف می‌توانند به‌خوبی با آن‌ها سازگار شوند. با این حال، نیروهای ناگهانی، متمرکز و سطحی مانند یک حرکت سریع دست یا تماس مستقیم انسان، به دلیل ماهیت طراحی تار، خارج از توان تحمل آن هستند. این نوع نیروها، تنش شدیدی به کل شبکه وارد می‌کنند و باعث تخریب سریع آن می‌شوند.

اگرچه خرابی آسان تارها در برابر چنین نیروهایی، به عنکبوت اجازه می‌دهد تا شبکه‌های قدیمی و آسیب‌دیده را به‌سرعت جایگزین کند، زیرا تولید ابریشم جدید انرژی بسیار کمی مصرف می‌کند؛ اما، این محدودیت‌ها به ما یادآوری می‌کنند که تطبیق‌پذیری بی‌نظیر ابریشم عنکبوت، در چارچوب مشخصی از شرایط محیطی عمل می‌کند و از این محدوده که فراتر رود، حتی شگفتی‌های مکانیکی آن نیز نمی‌توانند عملکرد مطلوبی داشته باشند.

اگرچه 1. ساختار و ترکیب ابریشم عنکبوت؛ 2. پیچیدگی‌های رفتار و معماری تار عنکبوت؛ 3. خواص صوتی و ارتعاشی؛ 4. الهام و تقلید در فناوری (با تاکید بر فناوری پرینت چهار بعدی)؛ 5. جنبه‌های رفتاری و تکاملی و 7. روش‌های تحقیقاتی پیشرفته.

بخش 2: پیچیدگی رفتار و معماری تار عنکبوت

تار عنکبوت، به‌ویژه در گونه‌های Orb-weaver، شاهکاری از طراحی زیستی است که در طی میلیون‌ها سال تکامل یافته است. ساخت، تنظیم و بازسازی این سازه‌های پیچیده نشان‌دهنده سازگاری زیستی و توانایی منحصربه‌فرد عنکبوت‌ها در پاسخ به تغییرات محیطی و نیازهای زیستی است. تارها علاوه بر نقش حیاتی در شکار، به‌عنوان سیستم‌های سازگار با محیط نیز شناخته می‌شوند که توانایی تنظیم خودکار معماری و مواد را دارند.

• مراحل ساخت تار

فرایند ساخت تار شامل مراحل مشخصی است که هر مرحله با الگوهای رفتاری خاصی انجام می‌شود. این مراحل شامل ایجاد چارچوب اولیه، اضافه کردن خطوط شعاعی، و در نهایت تکمیل مارپیچ‌های چسبنده است. تحقیقات نشان داده‌اند که این مراحل در بسیاری از گونه‌ها از الگوی رفتاری مشخصی پیروی می‌کنند. با این حال، شرایط محیطی مانند وزش باد یا کمبود انرژی می‌تواند موجب تغییراتی در این الگوها شود. برای مثال، در شرایط محدودیت منابع، عنکبوت‌ها ممکن است از ابریشم کمتری استفاده کنند یا شعاع‌های کمتری ایجاد کنند [17, 18].

• معماری و الگوهای تار

معماری تارهای عنکبوت با هدف بهینه‌سازی توزیع تنش و افزایش کارایی شکار طراحی شده است. تارهای شعاعی، که به‌عنوان اسکلت شبکه عمل می‌کنند، به نقاط مارپیچی متصل می‌شوند. این نقاط اتصال نواحی کلیدی با مقاومت مکانیکی بالا هستند که تأثیر قابل ‌توجهی بر پایداری ساختار دارند. برخی مطالعات نشان داده‌اند که تغییرات در معماری تار، مانند فاصله بین خطوط مارپیچی یا ضخامت شعاع‌ها، مستقیماً بر موفقیت شکار تأثیر می‌گذارند. عنکبوت‌ها به‌طور مداوم این معماری را با توجه به نیازهای محیطی تنظیم می‌کنند [19, 20].

• رفتار تطبیقی در طراحی تار

عنکبوت‌ها رفتار خود را بر اساس تغییرات محیطی و منابع موجود تطبیق می‌دهند. برای مثال: در بادهای شدید، آن‌ها شعاع‌ها را کوتاه ‌تر و فاصله خطوط مارپیچی را کمتر می‌کنند تا پایداری شبکه را افزایش دهند. در شرایط کمبود منابع غذایی، عنکبوت‌ها اندازه شبکه را کوچک‌تر کرده یا تراکم مواد چسبنده را کاهش می‌دهند [16, 17]. علاوه بر این، محیط‌های خاص مانند غارها عنکبوت‌ها را وادار به تطبیق‌های رفتاری ویژه کرده است. عنکبوت‌های غار تارهایی ساده‌تر اما چسبنده‌تر تولید می‌کنند که برای شکار در محیط‌های کم‌نور و محدود بهینه‌سازی شده‌اند [21].

• تعمیر و بازسازی تار

یکی دیگر از جنبه‌های شگفت‌انگیز رفتار عنکبوت‌ها، توانایی آن‌ها در تعمیر تارهای آسیب‌دیده است. زمانی که تار آسیب می‌بیند، عنکبوت‌ها نواحی آسیب‌دیده را شناسایی کرده و با الگوهای رفتاری دقیق آن را بازسازی می‌کنند. این فرایند شامل جایگزینی خطوط شعاعی یا تنظیم مجدد مارپیچ‌ها است. تعمیر تار باعث بازیابی عملکرد شبکه می‌شود و عنکبوت را از نیاز به ساخت کامل شبکه جدید بی‌نیاز می‌کند. در مواردی، تارهای فرسوده نیز توسط عنکبوت‌ها جمع‌آوری و برای تولید تارهای جدید بازیافت می‌شوند که این امر نشان‌دهنده کارایی زیستی بالای آن‌ها است [22, 23]. نکته جالب توجه این است که حتی با وجود آسیب به تار، عنکبوت همچنان می‌تواند از قسمت‌های سالم آن برای شکار یا تشخیص حرکت‌ها و ارتعاشات ناشی از شکار استفاده کند. این رفتار نشان‌دهنده هوش تطبیقی عنکبوت‌ها در بهره‌برداری حداکثری از منابع موجود است [19].

• اثر نیروهای خارجی بر تار

وزش باد می‌تواند توزیع تنش در شبکه را تغییر دهد و موجب تغییر در معماری تار شود. برای مثال، تحقیقات نشان داده‌اند که تارها در باد شدید، با شعاع‌های کوتاه‌تر و الگوهای متراکم‌تر ساخته می‌شوند تا تنش‌ها بهتر توزیع شوند [20]. حضور رطوبت در محیط موجب تغییر در رفتار مکانیکی تار می‌شود. مولکول‌های آب می‌توانند وارد ساختار ابریشم شوند و خواص کشسانی و چسبندگی تار را تغییر دهند [15].

• الهام از معماری تار عنکبوت

معماری و رفتار تطبیقی تار عنکبوت الهام‌بخش بسیاری از سیستم‌های مهندسی و فناوری بوده است. برای مثال: شبکه‌های هوشمند: تقلید از توزیع تنش در تارهای عنکبوت به طراحی سیستم‌های شبکه‌ای مقاوم در برابر نیروهای خارجی کمک کرده‌است [24]. رفتار خود ترمیم‌پذیر و سازگار تار عنکبوت الگویی برای طراحی مواد هوشمندی است که به تغییرات محیطی پاسخ می‌دهند [25].

بخش 3: خواص صوتی و ارتعاشی                                                                                                                                                                                        

تار عنکبوت نه تنها سازه‌ای برای شکار است، بلکه ابزاری دقیق برای انتقال اطلاعات صوتی و ارتعاشی محسوب می‌شود. این خواص باعث می‌شود عنکبوت‌ها بتوانند شکار را شناسایی کرده، مکان آن را پیدا کنند و حتی به سیگنال‌های جفت‌گیری پاسخ دهند. مطالعات اخیر نشان می‌دهند که طراحی معماری تارها، نوع مواد ابریشمی، و تنظیمات تنش در نخ‌ها، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد صوتی و ارتعاشی دارند.         

• انتقال و دریافت سیگنال صوتی

تار عنکبوت، علاوه بر نقش اساسی در شکار، یک ابزار پیچیده برای انتقال و پردازش ارتعاشات است. این ارتعاشات می‌توانند ناشی از حرکت شکار، عوامل محیطی مانند باد یا حتی سیگنال‌های جفت‌گیری باشند. ارتعاشات ایجاد شده در تار، از طریق نخ‌های شعاعی به مرکز تار منتقل می‌شوند و عنکبوت آن‌ها را با استفاده از حسگرهای مکانیکی (Sensilla) موجود در پاهایش دریافت می‌کند. این حسگرها به قدری حساس‌اند که می‌توانند تغییرات بسیار کوچک در دامنه و فرکانس ارتعاشات را تشخیص دهند. دامنه سیگنال اطلاعاتی درباره شدت حرکت یا وزن شکار ارائه می‌دهد، در حالی که فرکانس آن نشان‌دهنده نوع حرکت مانند پرواز، لرزش یا تقلا است [26, 27]. ساختار هندسی تار، از جمله فاصله بین خطوط مارپیچی و شعاعی، تأثیر زیادی بر انتقال ارتعاشات دارد. نخ‌های شعاعی وظیفه انتقال مستقیم ارتعاشات را بر عهده دارند، در حالی که نخ‌های مارپیچی برای جذب و پخش ارتعاشات طراحی شده‌اند. عنکبوت‌ها با تنظیم تنش نخ‌ها، خواص انتقالی تار را تغییر می‌دهند. افزایش تنش در نخ‌های شعاعی موجب تقویت سیگنال‌ها و بهبود حساسیت در تشخیص شکار می‌شود، در حالی که کاهش تنش می‌تواند ارتعاشات ناخواسته ناشی از عوامل محیطی مانند باد را فیلتر کند [28, 29].

عنکبوت‌ها توانایی استثنایی در تعیین مکان دقیق شکار از طریق تحلیل ارتعاشات دارند. آن‌ها با استفاده از اختلاف زمانی بین رسیدن ارتعاشات به نقاط مختلف تار، مکان دقیق منبع ارتعاش را شناسایی می‌کنند. این قابلیت شباهت زیادی به مکان‌یابی صوتی در پستانداران دارد. برای مثال، شکار گیر افتاده در یک نقطه از تار، ارتعاشاتی تولید می‌کند که از طریق نخ‌های مختلف به مرکز تار منتقل می‌شود، و عنکبوت با تحلیل این سیگنال‌ها حرکت خود را به سمت منبع تنظیم می‌کند [27, 30]. سیستم انتقال و دریافت سیگنال در تار عنکبوت به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین مکانیزم‌های طبیعی، امکان بقای عنکبوت را در محیط‌های چالش‌برانگیز فراهم می‌کند. این قابلیت نه تنها برای شناسایی و مکان‌یابی شکار، بلکه برای تمایز بین سیگنال‌های مفید و غیرمفید نیز اهمیت دارد. تحقیقات نشان داده‌اند که عنکبوت‌ها از الگوهای رفتاری مشخصی برای پردازش سیگنال‌ها استفاده می‌کنند. ابتدا نخ‌های مرتبط با سیگنال را بررسی می‌کنند، سپس حرکت خود را تنظیم کرده و در نهایت از اطلاعات اضافی مانند چسبندگی تار برای تأیید شکار بهره می‌برند [28]. این سیستم طبیعی الهام‌بخش طراحی حسگرهای ارتعاشی و مواد آکوستیکی شده است. مواد متا متریال آکوستیکی که از خواص انتقال ارتعاشات در تار عنکبوت الهام گرفته‌اند، توانایی کنترل و فیلتر سیگنال‌های صوتی را دارند. این سیستم نه تنها نشان‌دهنده تعامل پیچیده بین ساختار و عملکرد در طبیعت است، بلکه زمینه‌ساز توسعه فناوری‌های پیشرفته در حوزه‌های حسگری، مکان‌یابی و کنترل نویز می‌شود [31].

تار عنکبوت از جمله سازه‌های زیستی است که هندسه تار و خواص ارتجاعی آن تأثیر بسزایی در خواص ارتعاشی و انتقال اطلاعات دارد. این تارها از نخ‌های شعاعی و مارپیچی تشکیل شده‌اند که هرکدام نقشی منحصربه‌فرد در مدیریت ارتعاشات ایفا می‌کنند. نخ‌های شعاعی مسئول انتقال مستقیم ارتعاشات از محل ضربه یا حرکت به مرکز تار هستند و به دلیل کشش بالای خود، سرعت و دقت بالایی در این انتقال دارند. در مقابل، نخ‌های مارپیچی عمدتاً به جذب و پخش ارتعاشات در شبکه کمک می‌کنند و از اتلاف انرژی در حین انتقال جلوگیری می‌کنند [26, 27]. هندسه تار، از جمله فاصله بین خطوط شعاعی و مارپیچی، مستقیماً بر کارایی ارتعاشی آن تأثیر می‌گذارد. خطوط با فاصله کمتر ارتعاشات را با اتلاف کمتری منتقل کرده و برای شکارهای کوچک‌تر مناسب هستند، در حالی که فاصله‌های بیشتر به عنکبوت امکان می‌دهد دامنه ارتعاشات بزرگ‌تر را برای شکارهای سنگین‌تر دریافت کند. همچنین، نخ‌های شعاعی ارتعاشات طولی را با کارایی بیشتری منتقل می‌کنند، در حالی که نخ‌های مارپیچی برای ارتعاشات عرضی مناسب‌تر هستند. این ویژگی‌ها به عنکبوت اجازه می‌دهند که از ارتعاشات با فرکانس‌ها و دامنه‌های مختلف برای دریافت اطلاعات استفاده کند [28, 30]. عنکبوت‌ها توانایی استثنایی در تنظیم خواص ارتعاشی تار دارند. با تغییر تنش نخ‌های شعاعی و مارپیچی، آن‌ها می‌توانند دامنه و سرعت انتقال ارتعاشات را تنظیم کنند. افزایش تنش در نخ‌های شعاعی باعث افزایش سرعت انتقال و تقویت سیگنال‌ها می‌شود، در حالی که کاهش تنش می‌تواند ارتعاشات ناخواسته مانند باد را فیلتر کرده و دقت شناسایی شکار را بهبود بخشد. این قابلیت به عنکبوت‌ها امکان می‌دهد در محیط‌های پرنویز نیز شکار خود را شناسایی کنند [27, 29].

مواد ابریشمی به‌کاررفته در ساخت نخ‌های شعاعی و مارپیچی نیز تأثیر مهمی بر انتقال ارتعاش دارند. ابریشم‌های با کشسانی بالا قابلیت جذب ارتعاشات طولانی‌تر را دارند، در حالی که ابریشم‌های سخت‌تر برای انتقال ارتعاشات با فرکانس بالا مناسب هستند. این ویژگی‌ها به عنکبوت‌ها امکان می‌دهد تارهایی با خواص متناسب با محیط و نوع شکار طراحی کنند [27, 31]. چیدمان هندسی نخ‌ها، مانند آرایش دقیق شعاع‌ها و مارپیچ‌ها، به توزیع یکنواخت تنش‌ها و ارتعاشات کمک می‌کند. این چیدمان به عنکبوت اجازه می‌دهد که اطلاعات مربوط به مکان و نوع شکار را با دقت بالایی تحلیل کند. اختلاف زمانی بین رسیدن ارتعاشات به نقاط مختلف تار اطلاعاتی درباره جهت و فاصله شکار به عنکبوت ارائه می‌دهد. این قابلیت به عنکبوت اجازه می‌دهد با دقتی مشابه سیستم‌های مکان‌یابی صوتی در پستانداران، به سمت شکار حرکت کند [28, 32]. تار عنکبوت نمونه‌ای برجسته از ترکیب طراحی زیستی و عملکرد دقیق است. خواص ارتعاشی آن، که به شدت به هندسه، مواد و تنظیمات تنش وابسته است، الهام‌بخش طراحی مواد هوشمند و فناوری‌های حسگری پیشرفته بوده است. مطالعات بیشتر در این زمینه می‌تواند به توسعه فناوری‌هایی مانند متامتریال‌های آکوستیکی و حسگرهای زیستی کمک کند.

• شناسایی و مکان ‌یابی شکار

عنکبوت‌ها از تارهای خود به‌عنوان یک سیستم پیچیده انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند که امکان شناسایی و مکان‌ یابی دقیق شکار را فراهم می‌کند. زمانی که یک شکار به تار برخورد می‌کند یا در آن تقلا می‌کند، ارتعاشاتی در نخ‌های شعاعی و مارپیچی ایجاد می‌شود. این ارتعاشات شامل ویژگی‌های مشخصی مانند دامنه، فرکانس و الگو هستند که به عنکبوت اطلاعات مهمی درباره نوع و موقعیت شکار ارائه می‌دهند. دامنه ارتعاشات معمولاً با اندازه و وزن شکار متناسب است؛ شکارهای بزرگ‌تر ارتعاشاتی با دامنه بزرگ‌تر ایجاد می‌کنند. در مقابل، فرکانس ارتعاشات نشان‌دهنده نوع حرکت شکار است؛ حرکات سریع‌تر مانند پرواز پشه‌ها فرکانس‌های بالاتری تولید می‌کنند [28, 30]. این ویژگی‌ها به عنکبوت اجازه می‌دهند ارتعاشات مفید را از سیگنال‌های محیطی مانند باد یا باران تمایز دهد، چراکه ارتعاشات ناشی از شکار معمولاً نامنظم‌تر و متغیرتر هستند [26].

نخ‌های شعاعی، که به‌صورت مستقیم از مرکز تار به اطراف کشیده شده‌اند، اصلی‌ترین مسیر انتقال ارتعاشات به مرکز تار هستند. این نخ‌ها با کشش بالا طراحی شده‌اند تا ارتعاشات طولی را با سرعت و دقت بالا منتقل کنند. این قابلیت به عنکبوت امکان می‌دهد که اطلاعاتی دقیق درباره شدت و جهت منبع ارتعاش دریافت کند [27, 29]. در مقابل، نخ‌های مارپیچی بیشتر برای جذب و پخش ارتعاشات به کار می‌روند و انرژی ارتعاشات را در سراسر تار پخش می‌کنند تا سیگنال‌ها تقویت شوند و از اتلاف انرژی جلوگیری شود [28].

یکی از مهم‌ترین مکانیزم‌های شناسایی شکار توسط عنکبوت‌ها استفاده از اختلاف زمانی رسیدن سیگنال‌ها به نقاط مختلف تار است. زمانی که شکار در بخشی از تار حرکت می‌کند، ارتعاشات از طریق مسیرهای مختلف نخ‌های شعاعی به مرکز تار منتقل می‌شود. عنکبوت این سیگنال‌ها را دریافت کرده و با تحلیل اختلاف زمانی میان آن‌ها، مکان دقیق منبع ارتعاش را تعیین می‌کند. علاوه بر این، شدت سیگنال‌ها در نخ‌های نزدیک‌تر به شکار بیشتر است، که به عنکبوت امکان می‌دهد فاصله و جهت شکار را به‌دقت شناسایی کند [27, 30]. عنکبوت‌ها قابلیت تنظیم تنش نخ‌های تار را دارند، که به آن‌ها امکان می‌دهد خواص ارتعاشی تار را بر اساس شرایط محیطی یا نوع شکار تغییر دهند. افزایش تنش نخ‌های شعاعی باعث انتقال سریع‌تر و دقیق‌تر سیگنال‌ها می‌شود و حساسیت به شکارهای کوچک‌تر را افزایش می‌دهد. در مقابل، کاهش تنش می‌تواند ارتعاشات غیرمفید، مانند ارتعاشات ناشی از باد، را فیلتر کند و دقت تشخیص شکار را بهبود بخشد [28, 29]. پس از دریافت و تحلیل ارتعاشات، عنکبوت با یک پاسخ رفتاری سریع به شکار واکنش نشان می‌دهد. ابتدا اطلاعات سیگنال‌ها را پردازش کرده و نوع و اندازه شکار را تعیین می‌کند. سپس مسیر حرکت خود را تنظیم کرده و به سمت منبع ارتعاش حرکت می‌کند. این فرایند به دلیل دقت بالای تحلیل ارتعاشات و توانایی مکان‌یابی دقیق شکار، معمولاً با موفقیت انجام می‌شود [26, 28]. این سیستم طبیعی انتقال و پردازش ارتعاشات، که به عنکبوت‌ها امکان می‌دهد حتی در شرایط محیطی پیچیده شکار خود را شناسایی و مکان‌یابی کنند، یکی از پیشرفته‌ترین سازوکارهای حسی در دنیای جانوران است. بررسی این مکانیزم الهام‌بخش توسعه فناوری‌های نوین در زمینه حسگرهای ارتعاشی، سیستم‌های مکان‌یابی دقیق، و ابزارهای الهام‌گرفته از طبیعت شده است [29, 31].

بخش 4: الهام و تقلید در علم و فناوری

• طراحی مواد پیشرفته و خواص مکانیکی

تار عنکبوت با ترکیب شگفت‌انگیزی از استحکام و انعطاف‌پذیری الهام‌ بخش تولید مواد پیشرفته بوده است. این ویژگی‌ها در طراحی الیاف مصنوعی فوق‌العاده مقاوم برای کاربردهای مهندسی، تولید فیبرهای رسانا و انعطاف‌پذیر برای حسگرهای مکانیکی و ساخت مواد مقاوم در برابر ضربه بازتاب یافته‌اند. همچنین، توسعه مواد زیست‌تخریب‌پذیر الهام‌گرفته از تار عنکبوت به‌عنوان یک راهکار برای کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی مورد توجه قرار گرفته است. مثال‌هایی از این کاربردها شامل فیبرهای پلیمری تقویت‌شده و الیاف رسانا برای فناوری‌های هوشمند هستند [33, 34].

• فناوری‌های چاپ و ساخت

چاپ سه‌بعدی و چهاربعدی به‌عنوان یکی از کاربردهای الهام‌گرفته از ساختارهای تار عنکبوت، امکان تولید ساختارهایی با قابلیت تغییر شکل یا رفتار تحت تاثیر محرک‌های خارجی را فراهم کرده است. با استفاده از فناوری‌هایی مانند Optical Force Brush، سرعت و دقت تولید ساختارهای پیچیده افزایش یافته است. به‌عنوان مثال، چاپ تارهای مصنوعی برای شبکه‌های زیستی و رباتیک یا تولید سریع ساختارهای 4D کاربرد داشته‌اند. این روش‌ها از سرعت بالا و دقت ساخت در طراحی و توسعه سازه‌های هوشمند بهره می‌برند [35, 36].

• حسگرها و فناوری‌های هوشمند

سیستم حسی عنکبوت الهام‌بخش طراحی حسگرهایی بسیار حساس برای تشخیص ارتعاشات و تغییرات کوچک بوده است. این حسگرها به‌ویژه در فناوری‌های پوشیدنی و تجهیزات پزشکی که نیاز به سازگاری با شرایط محیطی دارند، کاربرد داشته‌اند. مواد با قابلیت پاسخ‌دهی به دما و رطوبت برای ساخت حسگرهای مکانیکی و ابزارهای تطبیقی استفاده شده‌اند. همچنین، فناوری‌هایی برای حسگرهای مکانیکی با دقت بالا، با الهام از الگوهای طبیعی طراحی شده‌اند [37, 38].

• کاربردهای زیست‌پزشکی و مهندسی بافت

ساختار تار عنکبوت به‌عنوان یک داربست زیستی الهام‌بخش توسعه فناوری‌هایی برای بازسازی بافت‌های استخوان، غضروف و عضلات بوده است. تارهای مصنوعی تولیدشده با استفاده از این الهام در سیستم‌های دارورسانی و بازسازی بافت‌ها مانند دیسک‌های بین مهره‌ای یا سیستم‌های عصبی استفاده شده‌اند. همچنین، زیست‌سازگاری و خاصیت ضد میکروبی این مواد در پزشکی و بهداشت به‌کار گرفته شده‌اند. این پیشرفت‌ها به‌طور خاص در حوزه‌هایی نظیر پوشش‌های زیستی و داربست‌های ترمیم بافت، کاربرد داشته‌اند [39, 40].

• کاربردهای محیط زیست

تار عنکبوت الهام‌بخش تولید ساختارهایی برای جمع‌آوری آب از هوا بوده است که می‌تواند در مناطق خشک و کم‌آب مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری‌ها شامل طراحی شبکه‌هایی برای جمع‌آوری رطوبت از مه و هوا می‌شوند که با استفاده از تکنیک‌های زیست‌محیطی و تجدیدپذیر بهینه‌سازی شده‌اند. همچنین، مواد زیست‌سازگار الهام‌گرفته از تار عنکبوت به‌عنوان راهکاری برای کاهش اثرات زیست‌محیطی و تجدیدپذیری مطرح شده‌اند [33, 41].

• کاربردهای رباتیک و دفاعی

تارهای عنکبوت به‌عنوان یک مدل برای طراحی شبکه‌های ایمنی و ربات‌های نرم تطبیق‌پذیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این ربات‌ها قابلیت تغییر شکل و رفتار بر اساس شرایط محیطی را دارند. همچنین، شبکه‌های مقاوم در برابر ضربه با تقلید از ساختارهای تار عنکبوت برای کاربردهای نظامی و مهندسی طراحی شده‌اند. این ساختارها می‌توانند در سیستم‌های محافظتی و کاربردهای صنعتی و نظامی به‌کار گرفته شوند [34, 42].

• جمع‌بندی

عنکبوت و تارهای آن الهام‌بخش توسعه فناوری‌های پیشرفته در حوزه‌های مختلفی از جمله علم مواد، مهندسی زیستی، فناوری نانو و محیط زیست بوده‌اند. این تحقیقات، مفاهیمی نوآورانه برای طراحی و توسعه مواد هوشمند، سیستم‌های سازگار با محیط زیست و فناوری‌های زیست‌پزشکی ارائه کرده‌اند. این مطالعات نشان‌دهنده قدرت الهامات طبیعی در حل چالش‌های علمی و صنعتی و بهبود کیفیت زندگی هستند.

“تار عنکبوت، با وجود استحکام فراتر از فولاد و انعطاف‌پذیری خارق‌العاده، نمادی از ضعف هر ساختار ظاهراً مستحکمی است که بدون اتکا به اراده الهی بنا شده باشد. این پژوهش، همزمان با کشف اسرار علمی این فراماده زیستی، هشداری قرآنی درباره ناپایداری تمدن‌های متکی بر قدرت مادی را بازتاب می‌دهد.”

4. تحقیقات پیشرو مطالعات آینده

روش‌های تحقیقات پیشرفته در مطالعات حوزه ابریشم عنکبوت و رفتارهای مرتبط از فناوری‌ها و روش‌های نوین برای بررسی ساختار، عملکرد و خواص بیولوژیکی ابریشم و رفتارهای عنکبوت استفاده کرده‌اند. در اینجا روش‌ها و دستگاه‌های کلیدی مورد استفاده، ارائه می‌شوند:

1-4. تجزیه و تحلیل تک‌سلولی و مولکولی

استفاده از فناوری RNA تک‌سلولی -Single-cell RNA sequencing- و تکنولوژی x Genomics10 برای تجزیه و تحلیل بیان ژن در نورون‌های مغزی عنکبوت امکان‌پذیر شد. در این مطالعه بیش از 30,000 سلول دسته‌بندی شدند و انواع مختلف نورون‌ها و سلول‌های غیرنورونی شناسایی شدند. این فناوری کمک کرد تا ژن‌های مرتبط با یادگیری و حافظه شناسایی شوند و بینش‌هایی در مورد عملکرد مغز عنکبوت‌های سازنده وب به دست آید [43].

2-4. تصویربرداری پیشرفته و میکروسکوپی

برای بررسی ساختارهای میکرو و نانویی ابریشم و دیسک‌های اتصال عنکبوت، از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی -SEM- و عبوری -TEM- استفاده شد. این تکنیک‌ها نشان دادند که دیسک‌های اتصال عنکبوت آبی Argyroneta aquatica از لایه‌های فوق‌آب‌گریز برای عملکرد زیرآب بهره می‌برند و بینش‌هایی در مورد نحوه اتصال نخ‌های ابریشم فراهم کردند [44].

3-4. ژنومیکس و بیوانفورماتیک

توالی‌یابی ژنوم عنکبوت‌ها با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند Oxford Nanopore و Illumina انجام شد. مطالعه‌ای روی ژنوم گونه Trichonephila clavata منجر به شناسایی 28 ژن کامل مرتبط با ابریشم شد و توزیع کروموزومی آنها را روشن کرد. این تحقیقات به درک مکانیسم‌های تکاملی تولید ابریشم و طراحی مواد مصنوعی کمک شایانی کرده است [45].

4-4. تست‌های مکانیکی و دینامیکی

آزمایشات کششی و پاسخ ارتعاشی تارهای عنکبوت مصنوعی و طبیعی با استفاده از دستگاه‌هایی نظیر سیستم تست مکانیکی Instron و سیستم‌های لیزر داپلر ویبرومتری -LDV- انجام شد. این مطالعات نشان دادند که فاصله مارپیچ‌های تار بر پاسخ ارتعاشی و انتقال نیرو تأثیر می‌گذارد [46].

5-4. مطالعات برهم‌کنش آب و مواد

تحلیل رفتار پاسخ‌گویی به آب در ابریشم بازتولیدی -RSF- با تغییر ساختارهای ثانویه و اندازه‌گیری نسبت آب آزاد به آب محصور انجام شد. این مطالعات نشان دادند که یک نسبت بحرانی آب محصور به آب آزاد، رفتار مکانیکی ابریشم را در تغییرات رطوبتی هدایت می‌کند [47].

6-4. رویکردهای میان‌رشته‌ای برای کاربردهای عملی

استفاده از اصول زیستی ابریشم عنکبوت برای طراحی چسب‌های زیرآبی و مواد پاسخ‌گو به رطوبت با ترکیب فناوری‌های زیستی و مهندسی امکان‌پذیر شد. این رویکردها به توسعه مواد هوشمند و الهام‌گرفته از ابریشم کمک کرده‌اند [45] [44].

منابع :

1..Becker, N., et al., Molecular nanosprings in spider capture-silk threads. Nature materials, 2003. 2(4): p. 278-283.

2..Cranford, S.W., et al., Nonlinear material behaviour of spider silk yields robust webs. Nature, 2012. 482(7383): p. 72-76.

3..Chan, N.J.-A., et al., Spider-silk inspired polymeric networks by harnessing the mechanical potential of β-sheets through network guided assembly. Nature communications, 2020. 11(1): p. 1630.

4..Wang, Q., et al., Protein secondary structure in spider silk nanofibrils. Nature Communications, 2022. 13(1): p. 4329.

5..Nova, A., et al., Molecular and nanostructural mechanisms of deformation, strength and toughness of spider silk fibrils. Nature Precedings, 2010: p. 1-1.

6..Grove, L., Nanofibrils study successfully measures

strength of spider web ‘super fibers’. Advanced Functional Materials, 2024.

7..Yazawa, K., et al., Simultaneous effect of strain rate and humidity on the structure and mechanical behavior of spider silk. Communications Materials, 2020. 1(1): p. 10.

8..Alencastre, J., C. Mago, and R. Rivera, Determination of energy dissipation of a spider silk structure under impulsive loading. Frontiers of Mechanical Engineering, 2015. 10: p. 306-310.

9..Okumura, K., Strength and toughness of bio-fusion materials. Polymer Journal, 2015. 47(2): p. 99-105.

10..Rech, L.P.S.E.L., Unravelling the biodiversity of nanoscale signatures

of spider silk fibres. nature communications, 2013.

11.Jin, H.-J. and D.L. Kaplan, Mechanism of silk processing in insects and spiders. Nature, 2003. 424(6952): p. 1057-1061.

12.Liu, Y., Z. Shao, and F. Vollrath, Relationships between supercontraction and mechanical properties of spider silk. Nature Materials, 2005. 4(12): p. 901-905.

13.Kluge, J.A., et al., Spider silks and their applications. Trends in biotechnology, 2008. 26(5): p. 244-251.

14.Yarger, J.L., B.R. Cherry, and A. Van Der Vaart, Uncovering the structure–function relationship in spider silk. Nature Reviews Materials, 2018. 3(3): p. 1-11.

15.Podbevšek, D., et al., The role of water mobility on water-responsive actuation of silk. Nature Communications, 2024. 15(1): p. 8287.

16.Haynl, C., et al., Free-standing spider silk webs of the thomisid Saccodomus formivorus are made of composites comprising micro-and submicron fibers. Scientific Reports, 2020. 10(1): p. 17624.

17.Blamires, S.J., et al., Spider web and silk performance landscapes across nutrient space. Scientific reports, 2016. 6(1): p. 26383.

18.Corver, A., et al., Distinct movement patterns generate stages of spider web building. Current Biology, 2021. 31(22): p. 4983-4997. e5.

19.Greco, G., et al., Imaging and mechanical characterization of different junctions in spider orb webs. Scientific Reports, 2019. 9(1): p. 5776.

20.Tew, N. and T. Hesselberg, The effect of wind exposure on the web characteristics of a tetragnathid orb spider. Journal of insect behavior, 2017. 30: p. 273-286.

21.Hesselberg, T., D. Simonsen, and C. Juan, Do cave orb spiders show unique behavioural adaptations to subterranean life? A review of the evidence. Behaviour, 2019. 156(10): p. 969-996.

22.Vollrath, F. and D.P. Knight, Liquid crystalline spinning of spider silk. Nature, 2001. 410(6828): p. 541-548.

23.Tew, E.R., A. Adamson, and T. Hesselberg, The web repair behaviour of an orb spider. Animal Behaviour, 2015. 103: p. 137-146.

24.Lu, W., N.A. Lee, and M.J. Buehler, Modeling and design of heterogeneous hierarchical bioinspired spider web structures using deep learning and additive manufacturing. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023. 120(31): p. e2305273120.

25.Rising, A. and J. Johansson, Toward spinning artificial spider silk. Nature chemical biology, 2015. 11(5): p. 309-315.

26. Wu, J., et al., Spider dynamics under vertical vibration and its implications for biological vibration sensing. Journal of the Royal Society Interface, 2023. 20(206): p. 20230365.

27.Zaera, R., et al., Eco-localization of a prey in a spider orb web. Journal of Vibration and Control, 2022. 28(11-12): p. 1229-1238.

28.Guo, C., et al., 3D-printed spider-web structures for highly efficient water collection. Heliyon, 2022. 8(8).

29.Mortimer, B., et al., Remote monitoring of vibrational information in spider webs. The Science of Nature, 2018. 105: p. 1-9.

30.Lott, M., et al., Prey localization in spider orb webs using modal vibration analysis. Scientific Reports, 2022. 12(1): p. 19045.

31.Miniaci, M., et al., Spider web-inspired acoustic metamaterials. Applied Physics Letters, 2016. 109(7).

32.Yavuz, K., et al., Effect of spider’s weight on signal transmittance in vertical orb webs. Royal Society Open Science, 2024. 11(10): p. 240986.

33.Zheng, Y., et al., Directional water collection on wetted spider silk. Nature, 2010. 463(7281): p. 640-643.

34.Zou, S., D. Therriault, and F.P. Gosselin, Spiderweb-inspired, transparent, impact-absorbing composite. Cell Reports Physical Science, 2020. 1(11).

35.Li, G., et al., Bio-inspired 4D printing of dynamic spider silks. Polymers, 2022. 14(10): p. 2069.

36.Yi, C., et al., Optical force brush enabled free-space painting of 4D functional structures. Science Advances, 2023. 9(38): p. eadg0300.

37.Kang, D., et al., Ultrasensitive mechanical crack-based sensor inspired by the spider sensory system. Nature, 2014. 516(7530): p. 222-226.

38.Fan, L., et al., Bioactive hierarchical silk fibers created by bioinspired self-assembly. Nature Communications, 2021. 12(1): p. 2375.

39.Kumari, S., et al., Engineered spider silk-based 2D and 3D materials prevent microbial infestation. Materials Today, 2020. 41: p. 21-33.

40.Salehi, S., K. Koeck, and T. Scheibel, Spider silk for tissue engineering applications. Molecules, 2020. 25(3): p. 737.

41.Vaghasiya, J.V. and M. Pumera, The rise of 3D/4D-printed water harvesting materials. Materials Today, 2024.

42.Lee, Y., et al., Ionic spiderwebs. Science robotics, 2020. 5(44): p. eaaz5405.

43.Jin, P., et al., Single-cell transcriptomics reveals the brain evolution of web-building spiders. Nature Ecology & Evolution, 2023. 7(12): p. 2125-2142.

44.Schaber, C.F., I. Grawe, and S.N. Gorb, Attachment discs of the diving bell spider Argyroneta aquatica. Communications Biology, 2023. 6(1): p. 1232.

45.Hu, W., et al., A molecular atlas reveals the tri-sectional spinning mechanism of spider dragline silk. Nature Communications, 2023. 14(1): p. 837.

46.Jyoti, J., et al., Structural and Vibrational Response of Artificial Spider Webs with Different Spacing. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2022. 10(8): p. 3101-3117.

47.He, W., et al., Establishing superfine nanofibrils for robust polyelectrolyte artificial spider silk and powerful artificial muscles. Nature Communications, 2024. 15(1): p. 3485.