Vi har nok alle beundret dugbedækkede hjulspind under en tidlig morgenvandring i engen, parken eller vores egen have. Den glinsende dug fremhæver den regelmæssige struktur og gør det klart, at hjulspindet er opbygget af forskellige elementer.

Udviklingen af kunstig silke har længe været højt på ingeniørers og biologers ønskeliste. Et sådant materiale ville kunne revolutionere store dele af ingeniørkunsten med sin styrke, elasticitet og biologiske nedbrydelighed.

Indsatsen har dog ikke hidtil båret den store frugt, da silkes imponerende mekaniske egenskaber primært fremkommer gennem den komplicerede og svært efterlignelige spindingsproces, som finder sted inde i edderkoppens spindekirtel.

I en netop færdiggjort numerisk analyse af edderkoppespindets mange elementer har vores gruppe under professor Fritz Vollrath fra Oxford University vist, at silkens store styrke bl.a. ligger i spindets mange små facetter, såsom spiralens forspænding og zigzag-struktur, som mindsker risikoen for deformeringer.

I det almindelige hjulspind, som herhjemme f.eks. bygges af korsedderkoppen, finder vi ofte edderkoppen siddende i midten af det ovale spind. Fra midten udgår også radierne til rammen, som eger i et hjul, og fra rammen udgår en håndfuld forankringstråde, som holder spindet på plads.

Fastholdt af radierne finder vi den klæbrige fangstspiral, hvis små limdråber fastholder insekter længe nok til, at edderkoppen kan nå frem og overmande dem. Adfærdsbiologer interesserer sig typisk for selve strukturen og opbygningen af spindet, da f.eks. antallet af radier og afstanden mellem spiral-armene afhænger af mange faktorer såsom vindstyrke, lokalitet, edderkoppens alder, dens silkereserver og tilgængeligt bytte.

Modsat har materialeforskere typisk interesseret sig for de individuelle silketråde og især for den silke, der dannes i edderkoppens store ampulla-kirtel, dvs. flaskeformede spindekirtel. Edderkoppen bruger kirtlens silke til at spinde radierne, rammen og forankringstrådene, men også til at spinde sikringstråden, som den fastgør til underlaget, mens den bevæger sig omkring.

Sikringstråden har traditionelt været brugt til trækprøvning, som er den vigtigste målemetode inden for materialeprøvning, da store mængder sikringstråd kan udtrækkes direkte fra spindekirtlen af immobiliserede edderkopper.

Fra trækprøvningsresultaterne kan man tegne et såkaldt trækstyrke-diagram. Modsat metaller med en lineær sammenhæng mellem styrke og tykkelse udviser silke en ikke-lineær arbejdskurve. Men vi kan finde stivheden som starthældningen af kurven og sejheden som arealet under arbejdskurven (se graf).

Trækstyrken og strækbarheden findes, som hos metaller, som maksimumværdien på henholdsvis y- og x-aksen. Sammenligner vi for eksempel stor ampulla-silke med menneskeskabte materialer som stål eller kevlar, kan vi se, hvorfor silke er et så ekstraordinært biomateriale. Silke har en maksimal trækstyrke lig ståls og mere end halvt så stor som kevlars, samtidig med at strækbarheden og især sejheden er betydeligt større end begges.

I de senere år er biologer, ofte i samarbejde med ingeniører, også begyndt at interessere sig for silkens egenskaber. Edderkopper bruger nemlig ikke kun stor ampulla-silke, men kan danne mindst fem forskellige slags silke. Fangstspiralen består f.eks. af meget elastisk silke, der kan strækkes til mere end tre gange sin naturlige længde, inden det brister, men som så til gengæld er mindre stiv og stærk end ampulla-silke.

Resultater fra trækprøvning af silketråde fra selve spindet bruges til at opnå en mere komplet forståelse af edderkoppespindets struktur og funktion ved hjælp af eksempelvis 'finite elementanalyse' (FEA), der er en numerisk metode til at finde tilnærmede løsninger til de partielle differentialligninger, der beskriver silkens egenskaber.

Vores forskergrupe på Oxford University i England har færdiggjort en sådan undersøgelse af spindet hos gylden hjulspinder (fra slægten Nephila). Spindet hos disse subtropiske edderkopper afviger noget fra vores hjemlige korsedderkops.

Dels er edderkoppen, og dermed spindet, større (et Nephila-hjulspind har ofte en diameter på over en meter), samtidig med at afstanden mellem spiralarmene er lille - dels er spindet halvcirkelformet. Men den største forskel er, at Nephila beholder den ikke-klæbrige hjælpespiral i det færdige spind.

Alle hjulspindere bygger en hjælpespiral, inden den klæbrige spiral bygges for at stabilisere spindet under byggefasen, men normalt fjernes hjælpespiralen i takt med, at fangstspiralen bygges. Yderligere løber den permanente hjælpespiral i et zigzag-mønster, hvorimod de normale midlertidige hjælpespiraler er lige.

Vi formodede, at eksistensen og mønstret af hjælpespiralen hos den gyldne hjulspinder skyldes, at de bygger deres spind i åbne områder, hvor de udsættes for stor vindpåvirkning. I vindtunnelforsøg med rigtige spind kunne vi vise, at hjælpespiralen ganske rigtigt spiller en stor rolle i at formindske deformeringen.

Vi måtte dog ty til avanceret teknik for at forklare, hvorvidt dette skyldes hjælpespiralens zigzag-mønster, dens forspænding (når en struktur forstærkes af indbygget stress, som f.eks. i nogle broer) eller silketypen (hjælpespiralen består af lille ampulla-silke, altså silke fra den lille ampulla-kirtel).

Først fandt vi fra trækprøvninger, at lille ampulla-silke ikke afviger meget i mekaniske egenskaber fra stor ampulla-silke. Dernæst konstruerede vi en FEA-model af et simplificeret Nephila-spind, som tillod os at ændre hjælpespiralens forspænding og dens zigzag-mønster, og udsatte modellen for en simuleret konstant vindpåvirkning.

FEA viste, at forspændingen spiller en rolle og er større i hjælpespiralen end i radierne, men at især zigzag-mønstret er vigtigt for at mindske deformeringen og sprede spændingen fra vindpåvirkningen overalt i spindet.

Fremtidige undersøgelser med mere avancerede FEA-modeller vil føre til en endnu bedre forståelse af, hvordan struktur, forspænding og silkens mekaniske egenskaber interagerer for at skabe ultralette hjulspind på omkring 0,1 mg, der ikke desto mindre effektivt kan stoppe en 100 mg tung honningbi, der flyver med over 20 km i timen. Dette er ikke kun interessant for biologer, men også for udviklere af letvægtsstrukturer.

Thomas Hesselberg har en kandidatgrad i biologi fra Aarhus Universitet og en ph.d. i biomimetik fra University of Bath i England. I de seneste år har han forsket i edderkopper og deres spind.