螳螂虾以其惊人的出拳力量而闻名，能够以与0.22口径子弹相当的力量打破外壳。令人惊讶的是，这些韧性十足的生物能承受自己攻击产生的强烈冲击波而不受伤害。
来自西北大学的研究人员揭示了螳螂虾如何避免因强力攻击而受伤的秘密。它们的打击附肢被称为爪钩，展示了分层设计，能够选择性地过滤声音。这些图案阻挡某些震动，充当它们产生的冲击波的屏障。
这项研究将在星期五（2月7日）发表在《科学》杂志上。
该研究获得的见解可能为设计用于减少爆炸相关伤害风险的创新材料铺平道路，特别是在军事和体育应用中。
“螳螂虾因其无比强劲的打击而闻名，能够打碎软体动物的外壳，甚至可能打破水族箱的玻璃，”西北大学的Horacio D. Espinosa指出，他是这项研究的共同通讯作者。“为了让螳螂虾能够重复进行这些强烈的打击，其爪钩需要一种强大的保护机制，以防止自我伤害。之前的研究主要集中在增强爪钩的韧性和抗裂能力，把它视作坚固的盾牌。我们的发现强调它采用了声子结构，选择性地过滤应力波，使螳螂虾能够在多次冲击中保持其打击力，同时保护其较软的组织。”
作为生物启发材料的专家，Espinosa担任詹姆斯·N·和南希·J·法利制造与创业教授，教授机械工程课程于西北大学的麦考密克工程学院。他还负责细胞工程技术研究所，与来自法国克劳德·贝尔纳·里昂第一大学和国家科学研究中心的M. Abi Ghanem共同领导这项研究。
有影响力的打击
栖息在浅水热带水域，螳螂虾在身体两侧具备锤状的爪钩。这些爪钩利用弹性快乐尔结构储存能量，由类似锁扣的肌腱固定。当释放锁扣时，储存的能量被释放，推动爪钩向前以爆炸性的力量发出。
在一次迅猛的打击中，螳螂虾能够捕捉猎物或抵御对手。当它们的拳头穿过水域时，会产生低压区域，导致气泡形成。
“当螳螂虾出击时，会产生指向目标的压力波，”Espinosa解释道。“这也会产生迅速崩溃的气泡，产生兆赫级的冲击波。崩溃释放出通过虾钩传播的强烈能量爆发，增强了初始力量的毁坏效果。”
保护设计
令人惊讶的是，这种强大的力量并不会伤害螳螂虾的精细神经和组织，它们被其铠甲保护。
为了深入探讨这一现象，Espinosa及其团队采用了两种复杂的技术对螳螂虾的铠甲进行细致分析。首先，他们使用了瞬时光栅光谱法，这是一种激光技术，用于评估应力波如何在材料中传播。此外，他们还使用了皮秒激光超声波技术，以便更深入地理解铠甲的微观结构。
他们的研究发现了螳螂虾的爪钩内部具有两个不同的区域，每个区域都被设计用于特定功能。冲击区域用于进行破坏性打击，含有矿化纤维，以人字形排列，增强防断裂能力。该层下面是周期性区域，具有扭曲的螺旋状纤维束。这些形成了Bouligand结构——一种每层相对于相邻层逐渐旋转的分层设计。
尽管人字形图案增强了爪钩的抗裂能力，但螺旋设计负责管理应力波移动。这种复杂的结构充当了声子护盾，选择性地过滤掉高频应力波，有助于防止有害震动影响螳螂虾的手臂和身体。
“周期性区域在过滤高频剪切波方面至关重要，而这些波对生物组织特别有害，”Espinosa提到。“这一机制保护了螳螂虾免受直接冲击和气泡崩溃所造成的负面应力波的影响。”
在研究中，研究人员进行了二维模拟以检查波行为。Espinosa指出，有必要进行全面的三维模拟，以深入理解爪钩的复杂结构。
“未来的研究需要专注于更高级的三维模拟，以全面捕捉爪钩的设计如何与冲击波相互作用，”Espinosa表示。“此外，进行水下实验并使用尖端仪器将有助于我们探索声子特性在水下环境中的表现。”
这项名为《螳螂虾是否拥有声子护盾？》的研究获得了美国空军科学研究办公室、海军研究办公室和国家科学基金会的支持。
