坚不可摧的螳螂虾爪可能有助于制造更好的防弹衣

也许没有哪种生物——尤其考虑到它的大小——比虾蛄(或称螳螂虾)更具威胁性了。它用其锤子状的前肢爪子砸碎蜗牛、螃蟹及其他软体动物和甲壳类动物的外壳,能发出500牛顿的力量。这个力量足以击穿水族箱玻璃。

但是,这些(既不是虾也不是螳螂,只是长得像它们)的甲壳类动物是如何在爪子完好的情况下生存下来的呢?科学家们,包括哈佛大学的James Weaver领导的研究团队称,原来它们进化出了一种三层结构,这种结构比任何合成材料都更坚固、更耐用。这种爪子包含了多种结构,每种结构都能防止灾难性的断裂。模仿这种结构可以为人类带来更好的防弹衣。

上面看到的漂亮的螳螂虾,用科学家的话来说,就像一只“重装甲的毛毛虫”,但它在很多方面都是一种特殊的生物,拥有众所周知的复杂复眼,能让它看到从紫外线到红外线的范围。正如你在下面的视频或YouTube上的许多帖子中看到的,它是一种非常具有攻击性的小生物。

即使它们的爪子在一次又一次的猛烈打击后受损,这些动物也能保持完好无损。Weaver和同事们在纳米尺度上研究了这些爪子,以确定实现这一功能的结构。研究人员表示,有三个区域,每个区域都有不同的矿物成分和功能。

当该动物准备出击时,爪子会折叠成一个俱乐部状。研究人员称,整个附肢本身非常厚,是相邻附肢厚度的五倍。撞击区域,即爪子的外层,含有羟基磷灰石矿物,这是一种也存在于脊椎动物骨骼和牙齿中的薄材料。它只有50到70纳米厚。正常情况下,如此薄的层很容易断裂——但它由壳聚糖支撑基质支撑,壳聚糖能分散冲击并防止裂缝扩散。第三个区域沿着爪子的两侧,甚至更不硬,有助于进一步分散冲击。

格拉斯哥大学的K. Elizabeth Tanner写了一篇关于螳螂虾的配套文章,该文章今天发表在《科学》杂志上。她表示,盔甲的设计者可以借鉴这些材料模型来提高抗冲击性。她写道,现有的使用陶瓷、玻璃纤维、特氟龙和橡胶的复合材料的性能不如螳螂虾的天然材料。

Weaver和同事们表示,这还可以改进非战斗相关的材料。

他们写道:“对这种多相生物复合材料的研究获得的结构性启示……可以为制造在承受强烈重复载荷的结构应用中的坚韧陶瓷/有机混合材料提供重要的设计洞察。”

 

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丽贝卡·博伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿人,她撰写关于天文学、人畜共患病以及介于两者之间的各种主题的文章。她是《大西洋月刊》的特约撰稿人,她的作品经常出现在《大众科学》、《新科学家》、《FiveThirtyEight》、《连线》以及许多其他面向成人和儿童的出版物上。丽贝卡在科罗拉多州长大,离太空更近一英里,现在住在圣路易斯,靠近大陆两条最强大的河流的交汇处。

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