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螳螂虾的“神奇盔甲”:揭秘其如何抵御强大冲击力的秘密

2025-02-13

为了弄清楚原因,西北大学的工程师尼古拉斯·奥尔德雷特领导的一个团队详细研究了孔雀螳螂虾(Odontodactylus scylarus)的指状棒,看看它是否能提供任何线索。

他们使用了皮秒激光超声波和瞬态光栅光谱学等两种技术,来观察这种生物的盔甲是如何对传播的应力波做出反应的 —— 他们发现指状棒的独特结构可以抑制和过滤这些波,以保护螳螂虾。

我们已经知道指状棒的盔甲结构是分层的,有点像千层面。撞击表面是一层细小的羟基磷灰石,这是一种主要由钙和磷组成的矿物质,就像牙齿的涂层一样。直接下方的撞击区域由一层甲壳素纤维组成,以人字图案排列,优化结构完整性。

在它的正下方是一层几丁质纤维束,排列成螺旋状结构,每一束都比相邻的纤维束旋转得稍微多一点。这一层形成了所谓的布利甘结构,以增加抗断裂能力而闻名。

研究人员发现,这一层还可以作为声子带隙屏蔽层 —— 一种通过控制声波与材料周期性结构的相互作用来过滤声波和应力波的材料。螳螂虾的指状棒中几丁质的布利甘结构正是这样做的。

Espinosa解释说:“周期性区域在选择性过滤高频剪切波方面起着至关重要的作用,而高频剪切波对生物组织尤其有害。”“这有效地保护了虾免受直接撞击和泡沫破裂造成的破坏性应力波的影响。”

该团队计划设计并进行水下实验,以观察这种神奇盔甲的功效和局限性 —— 也许会着眼于未来的生物灵感材料设计。

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