它们可能色彩鲜艳且体型小巧，但 螳螂虾绝非可以轻易招惹的生物。这些肉食性甲壳类动物 拥有强大的拳击能力，能够以高达每小时 50 英里的速度砸碎软体动物的外壳，甚至 打破玻璃。然而，尽管遭受如此巨大的冲击，螳螂虾的身体却能保持完好无损。
如今，一个科学家团队揭示了它们惊人身体韧性的秘密。它们的拳头覆盖着分层图案，能够选择性地过滤声音。阻挡特定的振动最终形成一种图案，如同一个盾牌，抵御其强力拳击产生的冲击波。这些发现的详细信息已在《科学》期刊 2 月 7 日发表的一项研究中进行了阐述。
产生冲击波
已知有 超过 400 种螳螂虾。这些拥有 绝佳视力 的生物生活在全球各地的浅层热带水域，以各种 螃蟹和蜗牛 为食。大多数螳螂虾的体长约为四到七英寸，而有些则可长达 15 英寸。
螳螂虾身体两侧各装备有一只 锤状的指状锤，它们就像一对拳头，能够以 .22 口径子弹的力量进行击打。指状锤将能量储存在由锁状肌腱固定的弹簧状弹性结构中。当肌腱释放时，储存的能量随之释放，将锤头向前推进。
螳螂虾可以一击捍卫自己的领地或杀死猎物。当拳头划破水面时，会在其后方产生一个 低压区域和一系列气泡。
“当螳螂虾出击时，撞击会对其目标产生压力波，”该研究的合著者、西北大学工程师 Hoacio D. Espinosa 在一份声明中表示。“它还会产生气泡，这些气泡会迅速塌陷，产生兆赫兹范围内的冲击波。这些气泡的塌陷会释放出强烈的能量爆发，这些能量会通过螳螂虾的锤头传播。这种二次冲击波效应，加上初始的撞击力，使得螳螂虾的攻击更具毁灭性。”
令人惊讶的是，这种巨大的打击力并不会损伤包裹在螳螂虾外壳内的其脆弱的神经和组织。
防护结构
在这项新研究中，研究团队利用两种先进技术对螳螂虾的外壳进行了精细观察。首先，他们使用了 瞬态光栅光谱技术。这种激光技术可以分析应力波在材料中的传播情况。接着，他们采用了 皮秒激光超声技术。该技术进一步深入了解了外壳的微观结构。
在螳螂虾的锤头内部，他们发现存在 两个不同的区域，每个区域都为特定功能而设计——撞击区域和周期性区域。
撞击区域负责发出毁灭性的打击，由 呈人字形排列 的矿化纤维组成。这种结构使其具有抗断裂性。周期性区域位于该层正下方。它具有扭曲的纤维束，类似于螺旋钻。这些束形成了一种 Bouligand 结构——一种分层排列，其中每一层相对于相邻层都逐渐旋转。这种结构在 龙虾等其他甲壳类动物 中也能看到。
人字形图案加强了锤头抵抗断裂的能力。同时，螺旋状的排列控制着冲击波穿过结构的方式。这种复杂的结构就像一个盾牌，选择性地过滤高频应力波，以 防止损伤性振动 向螳螂虾的臂部和身体传递。
Espinosa 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，这些剪切波对生物组织尤其具有破坏性。这有效地保护了螳螂虾免受直接撞击和气泡塌陷造成的损伤性应力波的影响。”
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从螳螂虾身上学习
研究团队在本次研究中分析了该特定结构中波行为的二维模拟。然而，作者认为需要进行更复杂的 3D 模拟，才能完全理解锤头的复杂结构。
Espinosa 表示：“未来的研究应侧重于更复杂的 3D 模拟，以全面了解锤头结构如何与冲击波相互作用。此外，设计配备最先进仪器的水下实验将使我们能够研究声子特性在水下条件下的功能。”
这些发现可以应用于开发合成的、声音过滤材料，用于制造防护装备。它还可以用于设计新的方法，以 减轻军事和体育运动中的爆炸相关伤害。
