螳螂蝦揭示了在致命沖擊波中幸存下來的秘密

在動物王國中，沒有其他任何東西能像螳螂蝦一樣具有沖擊力。這種微小、五顏六色的甲殼類動物以每秒 23 米的速度發(fā)出猛烈的沖擊——一記王牌提供令人瞠目結(jié)舌的 1,500 牛頓力來撕開獵物的外殼。

這些打擊是如此強(qiáng)大，以至于科學(xué)家們想知道甲殼類動物本身是如何在反沖效應(yīng)下保持完整的。

現(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)了它的一個(gè)秘密。傾瀉螳螂蝦痛苦的指棍具有迷人的結(jié)構(gòu)，可以過濾掉沖擊，保護(hù)它們背后的動物。

“螳螂蝦以其令人難以置信的強(qiáng)大打擊而聞名，它可以打破軟體動物的殼，甚至打破水族箱玻璃，”機(jī)械工程師 Horacio Espinosa 說美國西北大學(xué)。

“然而，要反復(fù)執(zhí)行這些高沖擊力的打擊，螳螂蝦的指棒必須有一個(gè)強(qiáng)大的保護(hù)機(jī)制，以防止自我傷害。之前的大多數(shù)工作都集中在球桿的韌性和抗裂性上，將結(jié)構(gòu)視為增韌的沖擊盾。

“我們發(fā)現(xiàn)它使用聲子機(jī)制——選擇性過濾應(yīng)力波的結(jié)構(gòu)。這使蝦能夠在多次撞擊中保持其打擊能力并防止軟組織損傷。

螳螂蝦的沖刺已經(jīng)被詳細(xì)研究了。當(dāng)它在水中高速移動時(shí)，它會產(chǎn)生所謂的空化氣泡.當(dāng)水被高速推到一邊時(shí)，其密度會降低到低密度氣泡內(nèi)的水蒸發(fā)的程度。

但是這個(gè)被更高密度水包圍的氣泡不會持續(xù)很長時(shí)間：它立即在一陣熱、光和聲音中內(nèi)爆。

正是這個(gè)坍塌的氣泡釋放的能量可以使貝殼（和水族箱）破裂。

“當(dāng)螳螂蝦撞擊時(shí)，撞擊會產(chǎn)生對目標(biāo)的壓力波，”埃斯皮諾薩 說.“它還會產(chǎn)生氣泡，這些氣泡會迅速崩潰，產(chǎn)生兆赫茲范圍內(nèi)的沖擊波。這些氣泡的崩潰會釋放出強(qiáng)烈的能量爆發(fā)，這些能量穿過蝦的俱樂部。這種二次沖擊波效應(yīng)，加上最初的沖擊力，使螳螂蝦的打擊更具破壞性。

然而，螳螂蝦并沒有受到這種巨大沖擊的傷害，這種沖擊應(yīng)該會向各個(gè)方向產(chǎn)生。

為了弄清楚原因，由西北大學(xué)工程師 Nicolas Alderete 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)詳細(xì)研究了孔雀螳螂蝦的指節(jié)棒（齒指 （Odontodactylus scyllarus）） 以查看它是否能產(chǎn)生任何線索。

他們在生物的盔甲上使用了兩種技術(shù)，例如皮秒激光超聲波和瞬態(tài)光柵光譜，以觀察它如何響應(yīng)傳播的應(yīng)力波——他們發(fā)現(xiàn)指棒的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，可以抑制和過濾這些波以保護(hù)螳螂蝦。

我們已經(jīng)知道 dactyl club 的盔甲結(jié)構(gòu)是分層的，有點(diǎn)像千層面。沖擊表面是一層細(xì)小的羥基 磷灰石，一種主要由鈣和磷組成的礦物質(zhì)，就像牙齒的涂層一樣。正下方的沖擊區(qū)域由一層以人字形排列的幾丁質(zhì)纖維組成，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)完整性。

而且，在其正下方是一層幾丁質(zhì)纖維束，排列成螺旋形結(jié)構(gòu)，每個(gè)線束的旋轉(zhuǎn)量僅比其相鄰線束多一點(diǎn)點(diǎn)。該層形成所謂的Bouligand 結(jié)構(gòu)式，已知可提高抗斷裂性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該層還充當(dāng)聲子帶隙屏蔽層——一種通過控制聲波和應(yīng)力波與材料的周期性結(jié)構(gòu)相互作用來過濾掉這些波的材料。螳螂蝦 dactyl 俱樂部中幾丁質(zhì)的 Bouligand 結(jié)構(gòu)正是這樣做的。

“周期性區(qū)域在選擇性過濾掉高頻橫波方面起著至關(guān)重要的作用，高頻橫波對生物組織尤其有害，”埃斯皮諾薩解釋說.“這有效地保護(hù)了蝦免受直接撞擊和氣泡破裂造成的破壞性應(yīng)力波?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃設(shè)計(jì)和進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，以觀察這種奇妙盔甲的功效和局限性——也許著眼于未來的仿生材料設(shè)計(jì)。

該研究已發(fā)表在科學(xué).

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