生物陶瓷為螳螂蝦的著名打擊提供動(dòng)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(dòng)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(dòng)物王國中最強(qiáng)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(gè)馬鞍形結(jié)構(gòu)，它像彈簧一樣儲(chǔ)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(chǔ)存如此大量的彈性能量。
“大自然在這個(gè)馬鞍上發(fā)展出了一種非常聰明的設(shè)計(jì)，”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(dú)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(huì)非常脆。它肯定會(huì)破裂。”
生物學(xué)家希拉·帕特克(Sheila Patek)實(shí)驗(yàn)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(dú)的肌肉不能產(chǎn)生甲殼類動(dòng)物攻擊的力量。其他研究假設(shè)鞍座可能用于儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)模擬來研究它的原因，”Miserez說。
他的團(tuán)隊(duì)分析了鞍座的成分，對(duì)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(dòng)時(shí)很強(qiáng)。當(dāng)螳螂蝦的肌肉和結(jié)締組織將能量加載到鞍座中時(shí)，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(gè)機(jī)械工程師制造一個(gè)可以存儲(chǔ)大量彈性能量的彈簧，他們就不會(huì)想到使用陶瓷。陶瓷可以儲(chǔ)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(huì)毫不直觀，“Miserez說。“但是如果你壓縮它們，它們就會(huì)非常結(jié)實(shí)。而且它們比金屬或任何聚合物更硬，所以你實(shí)際上可以儲(chǔ)存比這些材料更高的能量。”
研究人員還使用小條實(shí)際鞍座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，他們用強(qiáng)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(shí)以及當(dāng)它們以錯(cuò)誤的方式彎曲時(shí)力的分布情況。當(dāng)它們以錯(cuò)誤的方式彎曲時(shí)，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(qiáng)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(huì)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(gè)設(shè)計(jì)還表明你可以制作一個(gè)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(huì)想到的材料根據(jù)您的機(jī)械工程知識(shí)。“
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