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 米的速度發出猛烈的沖擊——一記王牌提供令人瞠目結舌的 1,500 牛頓力來撕開獵物的外殼。

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

現在，他們發現了它的一個秘密。傾瀉螳螂蝦痛苦的指棍具有迷人的結構，可以過濾掉沖擊，保護它們背后的動物。

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

“然而，要反復執行這些高沖擊力的打擊，螳螂蝦的指棒必須有一個強大的保護機制，以防止自我傷害。之前的大多數工作都集中在球桿的韌性和抗裂性上，將結構視為增韌的沖擊盾。

“我們發現它使用聲子機制——選擇性過濾應力波的結構。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。

螳螂蝦的沖刺已經被詳細研究了。當它在水中高速移動時，它會產生所謂的空化氣泡.當水被高速推到一邊時，其密度會降低到低密度氣泡內的水蒸發的程度。

但是這個被更高密度水包圍的氣泡不會持續很長時間：它立即在一陣熱、光和聲音中內爆。

正是這個坍塌的氣泡釋放的能量可以使貝殼（和水族箱）破裂。

“當螳螂蝦撞擊時，撞擊會產生對目標的壓力波，”埃斯皮諾薩 說.“它還會產生氣泡，這些氣泡會迅速崩潰，產生兆赫茲范圍內的沖擊波。這些氣泡的崩潰會釋放出強烈的能量爆發，這些能量穿過蝦的俱樂部。這種二次沖擊波效應，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，這種沖擊應該會向各個方向產生。

為了弄清楚原因，由西北大學工程師 Nicolas Alderete 領導的一個團隊詳細研究了孔雀螳螂蝦的指節棒（齒指 （Odontodactylus scyllarus）） 以查看它是否能產生任何線索。

他們在生物的盔甲上使用了兩種技術，例如皮秒激光超聲波和瞬態光柵光譜，以觀察它如何響應傳播的應力波——他們發現指棒的結構獨特，可以抑制和過濾這些波以保護螳螂蝦。

我們已經知道 dactyl club 的盔甲結構是分層的，有點像千層面。沖擊表面是一層細小的羥基 磷灰石，一種主要由鈣和磷組成的礦物質，就像牙齒的涂層一樣。正下方的沖擊區域由一層以人字形排列的幾丁質纖維組成，可優化結構完整性。

而且，在其正下方是一層幾丁質纖維束，排列成螺旋形結構，每個線束的旋轉量僅比其相鄰線束多一點點。該層形成所謂的Bouligand 結構式，已知可提高抗斷裂性。

研究人員發現，該層還充當聲子帶隙屏蔽層——一種通過控制聲波和應力波與材料的周期性結構相互作用來過濾掉這些波的材料。螳螂蝦 dactyl 俱樂部中幾丁質的 Bouligand 結構正是這樣做的。

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

該團隊計劃設計和進行水下實驗，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計。

該研究已發表在科學.

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