螳螂蝦也算一種網(wǎng)紅生物了。它的“出圈”，一方面是由于美麗的外表 —— 螳螂蝦具有色彩鮮艷的鎧甲，在甲殼類生物中顏值相當(dāng)出眾；另一方面則是因為其剽悍的體格和 bug 般強(qiáng)大的武力值：它的“拳頭”可以輕松擊碎螃蟹和牡蠣等生物的堅硬外殼，甚至能打破水族館的玻璃。物理知識告訴我們，力的作用是相互的，螳螂蝦能使出如此大的威力，也將承受極大的沖擊力。作為海中“拳王”，它們?nèi)绾伪Ｗo(hù)自己的身體不受傷害呢？
螳螂蝦生來自帶威力巨大的“生物武器”—— 它擁有一對堅硬的掠足，形狀類似于緊握的拳頭。令人驚訝的是，當(dāng)它用這對“拳頭”擊碎獵物的外殼時，自身卻能做到毫發(fā)無傷。
螳螂蝦的攻擊過程令人嘖嘖稱奇。它們出拳時的速度可以比擬 .22 口徑子彈（約 1316 公里 / 小時），這樣的動作速度放在整個動物界都數(shù)一數(shù)二?！叭^”在水中快速揮動向目標(biāo)撞擊時，會形成瞬態(tài)低壓區(qū)并通過空化作用產(chǎn)生氣泡，氣泡形成后迅速坍塌破裂，產(chǎn)生數(shù)百兆赫的高頻沖擊波，這個過程會釋放出極端的光能和熱能，以至于在瞬間，擊打區(qū)域周圍的水溫可達(dá)到太陽表面溫度，甚至可能伴隨短暫閃光。螳螂蝦出拳時產(chǎn)生的力量能達(dá)到自身體重的一千倍以上，一般來說，釋放這么大的能量會有反作用，能量產(chǎn)生的沖擊波會嚴(yán)重破壞動物的軟組織，然而螳螂蝦卻絲毫不受影響。如今，我們終于知道原因了。
美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊在研究一種螳螂蝦的掠足時發(fā)現(xiàn)，它們的掠足具有分級微結(jié)構(gòu)，可以選擇性地阻擋聲波，起到保護(hù)蝦體免受振動傷害的作用。這類分級微結(jié)構(gòu)中存在“聲子帶隙”，可以過濾掉可能造成神經(jīng)和軟組織創(chuàng)傷的聲波。
近日，研究人員在發(fā)表于《科學(xué)》上的一項研究中提出：“這些特定區(qū)域的聲子帶隙機(jī)制構(gòu)成了一個協(xié)同保護(hù)系統(tǒng)，能夠承受反復(fù)的高強(qiáng)度沖擊而不會造成實質(zhì)性損傷。”
身披“鎧甲”，內(nèi)有乾坤
螳螂蝦既不是螳螂，也不是蝦，而是一種口足目動物。它們是首次出現(xiàn)于 4 億年前的掠食性海洋甲殼類動物，以軟體動物、魚類、刺絲胞動物和其他甲殼類動物為食。它們捕食能力極強(qiáng)，例如，雀尾螳螂蝦（Odontodactylus scyllarus）在它棲息的熱帶淺灘便屬于最“兇猛”的掠食者之一。
美國西北大學(xué)的研究小組仔細(xì)研究了一只孔雀螳螂蝦標(biāo)本的掠足，發(fā)現(xiàn)了三層聲子防御結(jié)構(gòu)。聲子是固體材料中由原子周期性振動產(chǎn)生的振動能量單元。這些聲子防御材料就像螳螂蝦的“護(hù)身鎧甲”，其結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)穿過它們的聲波。
在解剖螳螂蝦的掠足時，研究人員發(fā)現(xiàn)其表面覆蓋著羥基磷灰石（人體中也存在羥基磷灰石，正是這種材料使得我們的牙齒與骨骼堅硬強(qiáng)韌）。羥基磷灰石涂層下方是被稱為“沖擊區(qū)”（impact region）的結(jié)構(gòu)，由人字形排列的甲殼素層構(gòu)成（甲殼素是一種堅硬的多糖類物質(zhì)，顧名思義，它能夠構(gòu)成甲殼類生物的外殼）。研究人員認(rèn)為，這種特定結(jié)構(gòu)的甲殼素能夠消散可能引發(fā)裂紋的聲波。
甲殼素層下方還有一層，研究者稱之為“循環(huán)排列區(qū)域”（periodic region），充滿著多層甲殼素“彈簧”。出拳時，螳螂蝦通過肌肉控制收起“拳頭”后向前彈射，釋放預(yù)載于“彈簧”中的能量以擊碎獵物外殼。這些“彈簧”由螺旋排列的甲殼素納米纖維構(gòu)成，卷曲堆疊方式使每個部分的結(jié)構(gòu)形似真實的彈簧。此類設(shè)計不僅調(diào)控聲波傳播路徑以防止結(jié)構(gòu)斷裂，還能保護(hù)內(nèi)部的神經(jīng)與軟組織免受高頻振動損傷。究其原因，是由于循環(huán)排列區(qū)域的螺旋纖維排列可產(chǎn)生聲子剪切波帶隙，從而可選擇性過濾納秒級空化氣泡坍塌產(chǎn)生的低頻兆赫范圍剪切波，保護(hù)軟組織免受損傷。
看武功高手如何“化勁兒”
螳螂蝦擁有強(qiáng)大攻擊力的代價便是要承受自身產(chǎn)生的猛烈沖擊。如同傳說中擅長“化勁兒”的武林高手，它們能夠借助自身獨特的結(jié)構(gòu)，巧妙消散掉可能有害的沖擊波。這種能力也給人類帶來了許多啟發(fā)。
為探究螳螂蝦掠足的承力極限，研究人員隨后對活體蝦進(jìn)行了實驗：模仿在海中擊碎貝殼時的情景，讓螳螂蝦擊打壓電力傳感器。此外，他們還用超聲及高超聲激光照射螳螂蝦掠足標(biāo)本切片，從微觀層面上觀察其抵御聲波的過程。
通過追蹤聲波在掠足表面的傳播路徑，研究人員確定了哪一區(qū)域?qū)Σǖ南⒆饔米顝?qiáng)。結(jié)果顯示：第二層即“沖擊區(qū)”承擔(dān)了最高應(yīng)力水平，而循環(huán)排列區(qū)域的防護(hù)效率與之接近。二者的協(xié)同作用使掠足幾乎能完全化解自身產(chǎn)生的應(yīng)力。
螳螂蝦這種防護(hù)結(jié)構(gòu)在自然界中很少能找到其他例子。先前曾有研究發(fā)現(xiàn)，某些飛蛾翅膀的鱗片能夠吸收捕食蝙蝠的聲波，避免通過回聲定位被發(fā)現(xiàn)。對螳螂蝦掠足結(jié)構(gòu)的研究，為理解自然界中的天然結(jié)構(gòu)如何化解高頻能量提供了新視角。
研究人員稱，螳螂蝦因其顯著的沖擊相關(guān)特性，長期被視為生物工程的典范。理解螳螂蝦如何抵御極端沖擊或許能夠啟發(fā)一些全新的技術(shù)，對其掠足結(jié)構(gòu)的研究可能影響未來軍用防護(hù)裝備與運(yùn)動護(hù)具的設(shè)計?！绑胛r的沖擊包含超聲波頻段成分，這促使我們以超聲波過濾為關(guān)鍵保護(hù)機(jī)制開發(fā)仿生方案?！毖芯繄F(tuán)隊在同一論文中表示。
或許在未來，你佩戴的一款新型自行車頭盔的設(shè)計靈感，就源自這種體長僅 7 英寸、卻能在高壓下“堅不可摧”的生物。
作者：Elizabeth Rayne
翻譯：鷺椋羽
審校：7 號機(jī)
原文鏈接：The seemingly indestructible fists of the mantis shrimp can take a punch
本文來自微信公眾號：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Elizabeth Rayne
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