螳螂虾揭示了在致命冲击波中幸存下来的秘密

在动物王国中，没有其他任何东西能像螳螂虾一样具有冲击力。这种微小、五颜六色的甲壳类动物以每秒 23 米的速度发出猛烈的冲击——一记王牌提供令人瞠目结舌的 1,500 牛顿力来撕开猎物的外壳。

这些打击是如此强大，以至于科学家们想知道甲壳类动物本身是如何在反冲效应下保持完整的。

现在，他们发现了它的一个秘密。倾泻螳螂虾痛苦的指棍具有迷人的结构，可以过滤掉冲击，保护它们背后的动物。

“螳螂虾以其令人难以置信的强大打击而闻名，它可以打破软体动物的壳，甚至打破水族箱玻璃，”机械工程师 Horacio Espinosa 说美国西北大学。

“然而，要反复执行这些高冲击力的打击，螳螂虾的指棒必须有一个强大的保护机制，以防止自我伤害。之前的大多数工作都集中在球杆的韧性和抗裂性上，将结构视为增韧的冲击盾。

“我们发现它使用声子机制——选择性过滤应力波的结构。这使虾能够在多次撞击中保持其打击能力并防止软组织损伤。

螳螂虾的冲刺已经被详细研究了。当它在水中高速移动时，它会产生所谓的空化气泡.当水被高速推到一边时，其密度会降低到低密度气泡内的水蒸发的程度。

但是这个被更高密度水包围的气泡不会持续很长时间：它立即在一阵热、光和声音中内爆。

正是这个坍塌的气泡释放的能量可以使贝壳（和水族箱）破裂。

“当螳螂虾撞击时，撞击会产生对目标的压力波，”埃斯皮诺萨 说.“它还会产生气泡，这些气泡会迅速崩溃，产生兆赫兹范围内的冲击波。这些气泡的崩溃会释放出强烈的能量爆发，这些能量穿过虾的俱乐部。这种二次冲击波效应，加上最初的冲击力，使螳螂虾的打击更具破坏性。

然而，螳螂虾并没有受到这种巨大冲击的伤害，这种冲击应该会向各个方向产生。

为了弄清楚原因，由西北大学工程师 Nicolas Alderete 领导的一个团队详细研究了孔雀螳螂虾的指节棒（齿指 （Odontodactylus scyllarus）） 以查看它是否能产生任何线索。

他们在生物的盔甲上使用了两种技术，例如皮秒激光超声波和瞬态光栅光谱，以观察它如何响应传播的应力波——他们发现指棒的结构独特，可以抑制和过滤这些波以保护螳螂虾。

我们已经知道 dactyl club 的盔甲结构是分层的，有点像千层面。冲击表面是一层细小的羟基 磷灰石，一种主要由钙和磷组成的矿物质，就像牙齿的涂层一样。正下方的冲击区域由一层以人字形排列的几丁质纤维组成，可优化结构完整性。

而且，在其正下方是一层几丁质纤维束，排列成螺旋形结构，每个线束的旋转量仅比其相邻线束多一点点。该层形成所谓的Bouligand 结构式，已知可提高抗断裂性。

研究人员发现，该层还充当声子带隙屏蔽层——一种通过控制声波和应力波与材料的周期性结构相互作用来过滤掉这些波的材料。螳螂虾 dactyl 俱乐部中几丁质的 Bouligand 结构正是这样做的。

“周期性区域在选择性过滤掉高频横波方面起着至关重要的作用，高频横波对生物组织尤其有害，”埃斯皮诺萨解释说.“这有效地保护了虾免受直接撞击和气泡破裂造成的破坏性应力波。”

该团队计划设计和进行水下实验，以观察这种奇妙盔甲的功效和局限性——也许着眼于未来的仿生材料设计。

该研究已发表在科学.

宝宝起名 起名