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(資料圖)

關于本文作者

Mamdouh Refaat

Altair 首席數據科學家

在商業和工程應用中從事ML（機器學習）和AI（人工智能）領域有超過25年的經驗。

眾所周知，蜘蛛俠代表了正義的力量：勇敢、強壯、聰明。今天這篇文章中，我們來深度探索他的能力，來看看：

蜘蛛俠的絲到底能舉起多少東西？

當蜘蛛俠用他的絲線 “飛行”，從一個建筑跳到另一個建筑時，他的絲線真的能支撐他的重量，并同時舉起其他物體嗎？

蜘蛛俠的面具（本文作者創作）

為了真正科學的來回答上述問題，我們需要對他做一些假設。我們還需要找到關于真正蜘蛛絲強度的真實數據，并利用這些數據來推斷蜘蛛俠的絲的強度。最后，我們將需要使用物理學定律來回答他用絲跳的問題。

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關于蜘蛛俠

由于蜘蛛俠一直生活在陰影中，沒有人知道他的確切極限。但是我們還知道一些有據可查的 “事實”。

他是一個蛻變成蜘蛛的人類。與地球上所有其他已知的蜘蛛相比，他是一個巨大的蜘蛛。他的體重約為75公斤（165磅），他的身高約為175厘米（5英尺9英寸）。

與超人不同，蜘蛛俠不能飛行。他是我們星球上的生物，所以他不能違背重力。一些人猜測，超人可能可以某種方式含有反引力子–引力子是假定的粒子，是重力的原因，到目前為止，還沒有得到實驗證實。另一方面，蜘蛛俠需要利用他的絲來從一棟樓跳到另一棟樓。他也可以利用他的腿的力量來跳躍。

他非常強壯。有幾份歷史文件（漫畫雜志）顯示，他可以舉起重量超過10,000公斤的坦克（約3輛福特F150卡車）。雖然這些坦克與大型M1A1艾布拉姆斯（62,000公斤）相比被認為是小的，但他能舉起10,000公斤的坦克（并擊碎它）仍然令人印象深刻。

一些報道稱，他的前臂上有射網腺，可以從他手腕上的小開口處射出絲。另一些報道表示，他正在使用一種高科技的小工具，將固定在他手臂上的一個或兩個罐子里的特殊材料噴射出來。我認為確認腺體的報道更可靠，因為這與他從一個正常人到蜘蛛狀生物的變形過程更一致。

蜘蛛俠的絲可以附著并粘在建筑物、窗戶等表面。絲和表面之間的結合力比絲的強度更大。

蜘蛛俠可以將絲線縮回到他的手臂上。這就是他如何在懸掛在絲線中時將自己拉起來。而且他能以非常高的速度做到這一點。我們沒有可靠的數據來支持對他縮回絲線的速度的任何估算。

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當蜘蛛俠遇上RapidMiner

現在我們已經確定了關于蜘蛛俠的事實，讓我們用機器學習來估算他的絲的強度，我們將通過使用我們擁有的關于大約200種蜘蛛的絲的機械特性的數據來開發模型，這些數據可以點擊此處進行查看。

我通過 Altair 的建模軟件RapidMiner，利用蜘蛛俠的身體尺寸和他的絲的預期尺寸來估算蜘蛛俠的絲的強度，我估計他的絲的直徑為2毫米，他的身體尺寸為175厘米。

利用 RapidMiner 自動模型估算蜘蛛絲的極限拉伸強度

使用真實蜘蛛的機械性能數據，我發現 RapidMiner 中的梯度提升決策樹給出了最準確的模型，然后我用它來估算蜘蛛俠的絲的極限拉伸強度（UTS）。UTS是指材料在被拉伸時，在斷裂前能承受的最大應力。這個模型如上圖所示。

蜘蛛俠的蠶絲的UTS估算值為310GPa，使其比地球上任何已知的材料都要強。從這個角度來看，普通結構鋼（被稱為60級螺紋鋼）的UTS只有0.62GPa，這使得蜘蛛俠的絲比60級螺紋鋼強500倍左右。

有了這個UTS，直徑為2毫米的蜘蛛俠絲可以承載高達約100噸的負荷。因此，蜘蛛俠的絲可以舉起比我們知道的蜘蛛俠所舉起的最大負荷更多的負荷。這回答了我們關于蜘蛛俠的絲的強度的第一個問題。

用來估算蠶絲UTS的ML模型的一個（大）弱點是，蜘蛛俠的身體尺寸遠遠超出了模型訓練數據的范圍。數據集中的蜘蛛的身體尺寸從2到38毫米不等，而蜘蛛俠的特征尺寸（高度）是1750毫米。在正常情況下，我們正在為一個真實的應用開發ML模型，這個模型是不能接受的，但是由于我們面對的是一個超級英雄，我們將接受這個模型的估算。

現在，讓我們來回答第二個問題。當他在建筑物之間擺動時，這根絲能承受住力嗎？

下圖顯示了蜘蛛俠在擺動過程中處于建筑物頂部的A位置和處于垂直位置的B位置。

能量平衡計算蜘蛛俠的最大速度

如圖所示，簡單的能量平衡要求他在B位置的速度（平方）為v^2 = 2gL。

下圖顯示了在B點作用于蜘蛛俠的力和他的加速度（紅色）。

蜘蛛俠在B點的自由體圖

利用牛頓第二運動定律，我們可以得到T – mg = ma。從B點的運動學來看，蜘蛛俠身體的加速度是一個向上的離心加速度，其公式為a = v^2 / L。簡單代入運動方程，并使用能量平衡中的速度值，我們得到T = 3毫克。

因此，絲綢中的張力是蜘蛛俠重量的三倍。而正如我們前面得出的，2毫米的絲可以承受近100噸的力，這比僅因蜘蛛俠的重量而產生的擺動過程中的張力要大得多。現在很明顯，蜘蛛俠可以輕松地用他的絲做這些擺動動作，甚至可以把許多人、汽車和重物一起舉起來。

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結論

我們用Altair RapidMiner的機器學習ML和機械學來證明蜘蛛俠到底有多強，通過以上數據證明，蜘蛛俠真的非常強壯，它的絲也很強韌。如果蜘蛛俠的絲真的存在的話，它將比地球上任何已知的材料都強，它可以只用一根弦就能舉起100噸的東西，不會有任何困難。

我們歡迎數據科學家們使用上述數據和RapidMiner軟件進行實驗，估算蜘蛛俠的絲的其他屬性，并與所有蜘蛛俠的粉絲們分享實驗結果，也許蜘蛛俠也和我們一起正在閱讀這篇文章呢!

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關于 RapidMiner

RapidMiner 是進行大規模數據處理和算法模型構建的低代碼平臺，目前已擁有 100 多萬用戶。其簡單易操作的可視化數據處理界面不僅吸引了專業的數據算法工程師，也獲得了眾多跨學科數據處理的粉絲們。

Altair 于2022年11月正式收購 RapidMiner。此次收購大大強化了 Altair 的端到端數據分析 (Data Analytics) 產品組合，使用戶能夠快速理解、轉換、執行并自動計算數據，更高效的構建算法模型。

RapidMiner 擬將與Altair 現有工具進行集成，例如 Altair Knowledge Studio、Altair SmartWorks 和 Altair SLC，從而為企業數據分析和數據科學提供一個全面、代碼可選、多語言、SaaS 即用型云平臺。

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關于Altair 澳汰爾

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