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生物陶瓷为螳螂虾的着名打击提供动力

新加坡的研究人员现在可以解释是什么让螳螂虾成为一种海洋甲壳类动物,通过用它的类似附属物的附属物攻击其猎物来捕杀它,这是动物王国中最强大的冲击力。在10月19日发表在iScience杂志上的一篇论文中,他们表明螳螂虾的四肢中有一个马鞍形结构,它像弹簧一样储存然后释放能量,由两层不同材料制成。分别测量层的成分和微观机械性能 - 主要是生物陶瓷和生物聚合物 - 使研究人员能够模拟鞍座如何在不破坏的情况下储存如此大量的弹性能量。

生物陶瓷为螳螂虾的着名打击提供动力

“大自然在这个马鞍上发展出了一种非常聪明的设计,”资深作家阿里·米塞雷斯说,他是一位研究新加坡南洋理工大学独特生物结构的材料科学家。“如果它是由一种均质材料制成的,它会非常脆。它肯定会破裂。”

生物学家希拉·帕特克(Sheila Patek)实验室先前的研究已经检查过螳螂虾的指甲基 - 它们用来攻击猎物的附属物 - 并且暗示单独的肌肉不能产生甲壳类动物攻击的力量。其他研究假设鞍座可能用于储存弹性能量,但研究鞍座的结构和机械性能具有挑战性。“运动如此之快以至于人们无法专注于马鞍本身,这就是我们需要通过计算机模拟来研究它的原因,”Miserez说。

他的团队分析了鞍座的成分,对材料的机械性能进行了微观测量,以开发螳螂虾罢工的模拟。他们发现,鞍座的顶层主要由相似脆弱的生物陶瓷组成,类似于牙齿或骨骼,而底面含有较高含量的生物聚合物,这些生物聚合物像绳索一样纤维状,因此在拉动时很强。当螳螂虾的肌肉和结缔组织将能量加载到鞍座中时,顶层被压缩并且底层被拉伸,这意味着每层被置于最能承受的力的作用下。

“如果你让一个机械工程师制造一个可以存储大量弹性能量的弹簧,他们就不会想到使用陶瓷。陶瓷可以储存能量,如果你可以变形它们,但它们是如此脆弱以至于它不会毫不直观,“Miserez说。“但是如果你压缩它们,它们就会非常结实。而且它们比金属或任何聚合物更硬,所以你实际上可以储存比这些材料更高的能量。”

研究人员还使用小条实际鞍座结构进行了一系列实验,他们用强大的皮秒激光束切割。他们分析了当条带以它们在螳螂虾中的方式弯曲时以及当它们以错误的方式弯曲时力的分布情况。当它们以错误的方式弯曲时,生物聚合物被压缩并且生物陶瓷被拉伸,条带不太能够承受强力,可能是由于陶瓷层中的微小断裂。

Miserez和他的同事们正在继续研究螳螂虾鞍的结构,甚至已经开始3D打印一些螳螂虾 - 他们自己的弹簧,这可能会用于微机器人。

“从基础科学的角度来看,这种结构的机制非常有趣,”他说。“但是这个设计还表明你可以制作一个非常高效的弹簧 - 你可以用陶瓷制作它,它比人们现在使用的其他材料更有效。你可以使用你不会想到的材料根据您的机械工程知识。“

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