生物陶瓷為螳螂蝦的著名打擊提供動力
新加坡的研究人員現(xiàn)在可以解釋是什么讓螳螂蝦成為一種海洋甲殼類動物，通過用它的類似附屬物的附屬物攻擊其獵物來捕殺它，這是動物王國中最強大的沖擊力。在10月19日發(fā)表在iScience雜志上的一篇論文中，他們表明螳螂蝦的四肢中有一個馬鞍形結(jié)構(gòu)，它像彈簧一樣儲存然后釋放能量，由兩層不同材料制成。分別測量層的成分和微觀機(jī)械性能 - 主要是生物陶瓷和生物聚合物 - 使研究人員能夠模擬鞍座如何在不破壞的情況下儲存如此大量的彈性能量。
“大自然在這個馬鞍上發(fā)展出了一種非常聰明的設(shè)計，”資深作家阿里·米塞雷斯說，他是一位研究新加坡南洋理工大學(xué)獨特生物結(jié)構(gòu)的材料科學(xué)家。“如果它是由一種均質(zhì)材料制成的，它會非常脆。它肯定會破裂。”
生物學(xué)家希拉·帕特克(Sheila Patek)實驗室先前的研究已經(jīng)檢查過螳螂蝦的指甲基 - 它們用來攻擊獵物的附屬物 - 并且暗示單獨的肌肉不能產(chǎn)生甲殼類動物攻擊的力量。其他研究假設(shè)鞍座可能用于儲存彈性能量，但研究鞍座的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能具有挑戰(zhàn)性。“運動如此之快以至于人們無法專注于馬鞍本身，這就是我們需要通過計算機(jī)模擬來研究它的原因，”Miserez說。
他的團(tuán)隊分析了鞍座的成分，對材料的機(jī)械性能進(jìn)行了微觀測量，以開發(fā)螳螂蝦罷工的模擬。他們發(fā)現(xiàn)，鞍座的頂層主要由相似脆弱的生物陶瓷組成，類似于牙齒或骨骼，而底面含有較高含量的生物聚合物，這些生物聚合物像繩索一樣纖維狀，因此在拉動時很強。當(dāng)螳螂蝦的肌肉和結(jié)締組織將能量加載到鞍座中時，頂層被壓縮并且底層被拉伸，這意味著每層被置于最能承受的力的作用下。
“如果你讓一個機(jī)械工程師制造一個可以存儲大量彈性能量的彈簧，他們就不會想到使用陶瓷。陶瓷可以儲存能量，如果你可以變形它們，但它們是如此脆弱以至于它不會毫不直觀，“Miserez說。“但是如果你壓縮它們，它們就會非常結(jié)實。而且它們比金屬或任何聚合物更硬，所以你實際上可以儲存比這些材料更高的能量。”
研究人員還使用小條實際鞍座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列實驗，他們用強大的皮秒激光束切割。他們分析了當(dāng)條帶以它們在螳螂蝦中的方式彎曲時以及當(dāng)它們以錯誤的方式彎曲時力的分布情況。當(dāng)它們以錯誤的方式彎曲時，生物聚合物被壓縮并且生物陶瓷被拉伸，條帶不太能夠承受強力，可能是由于陶瓷層中的微小斷裂。
Miserez和他的同事們正在繼續(xù)研究螳螂蝦鞍的結(jié)構(gòu)，甚至已經(jīng)開始3D打印一些螳螂蝦 - 他們自己的彈簧，這可能會用于微機(jī)器人。
“從基礎(chǔ)科學(xué)的角度來看，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)制非常有趣，”他說。“但是這個設(shè)計還表明你可以制作一個非常高效的彈簧 - 你可以用陶瓷制作它，它比人們現(xiàn)在使用的其他材料更有效。你可以使用你不會想到的材料根據(jù)您的機(jī)械工程知識。“
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