出拳速度堪比子弹!为什么螳螂虾的拳头不会碎掉?(组图)

螳螂虾也算一种网红生物了。它的“出圈”，一方面是由于美丽的外表——螳螂虾具有色彩鲜艳的铠甲，在甲壳类生物中颜值相当出众；另一方面则是因为其剽悍的体格和bug般强大的武力值：它的“拳头”可以轻松击碎螃蟹和牡蛎等生物的坚硬外壳，甚至能打破水族馆的玻璃。物理知识告诉我们，力的作用是相互的，螳螂虾能使出如此大的威力，也将承受极大的冲击力。作为海中“拳王”，它们如何保护自己的身体不受伤害呢？


螳螂虾。来源：https://arstechnica.com/ 螳螂虾生来自带威力巨大的“生物武器”——它拥有一对坚硬的掠足，形状类似于紧握的拳头。令人惊讶的是，当它用这对“拳头”击碎猎物的外壳时，自身却能做到毫发无伤。 螳螂虾的攻击过程令人啧啧称奇。它们出拳时的速度可以比拟 .22 口径子弹（约1316公里/小时），这样的动作速度放在整个动物界都数一数二。“拳头”在水中快速挥动向目标撞击时，会形成瞬态低压区并通过空化作用产生气泡，气泡形成后迅速坍塌破裂，产生数百兆赫的高频冲击波，这个过程会释放出极端的光能和热能，以至于在瞬间，击打区域周围的水温可达到太阳表面温度，甚至可能伴随短暂闪光。螳螂虾出拳时产生的力量能达到自身体重的一千倍以上，一般来说，释放这么大的能量会有反作用，能量产生的冲击波会严重破坏动物的软组织，然而螳螂虾却丝毫不受影响。如今，我们终于知道原因了。 美国西北大学的研究团队在研究一种螳螂虾的掠足时发现，它们的掠足具有分级微结构，可以选择性地阻挡声波，起到保护虾体免受振动伤害的作用。这类分级微结构中存在“声子带隙”，可以过滤掉可能造成神经和软组织创伤的声波。 近日，研究人员在发表于《科学》上的一项研究中提出：“这些特定区域的声子带隙机制构成了一个协同保护系统，能够承受反复的高强度冲击而不会造成实质性损伤。”


雀尾螳螂虾，来源：https://www.istockphoto.com/身 身披“铠甲”，内有乾坤 螳螂虾既不是螳螂，也不是虾，而是一种口足目动物。它们是首次出现于4亿年前的掠食性海洋甲壳类动物，以软体动物、鱼类、刺丝胞动物和其他甲壳类动物为食。它们捕食能力极强，例如，雀尾螳螂虾（Odontodactylus scyllarus）在它栖息的热带浅滩便属于最“凶猛”的掠食者之一。 美国西北大学的研究小组仔细研究了一只孔雀螳螂虾标本的掠足，发现了三层声子防御结构。声子是固体材料中由原子周期性振动产生的振动能量单元。这些声子防御材料就像螳螂虾的“护身铠甲”，其结构可以调节穿过它们的声波。 在解剖螳螂虾的掠足时，研究人员发现其表面覆盖着羟基磷灰石（人体中也存在羟基磷灰石，正是这种材料使得我们的牙齿与骨骼坚硬强韧）。羟基磷灰石涂层下方是被称为“冲击区”（impact region）的结构，由人字形排列的甲壳素层构成（甲壳素是一种坚硬的多糖类物质，顾名思义，它能够构成甲壳类生物的外壳）。研究人员认为，这种特定结构的甲壳素能够消散可能引发裂纹的声波。


牙齿中的羟基磷灰石，来源：https://www.todaysrdh.com/ 甲壳素层下方还有一层，研究者称之为“循环排列区域”（periodic region），充满着多层甲壳素“弹簧”。出拳时，螳螂虾通过肌肉控制收起“拳头”后向前弹射，释放预载于“弹簧”中的能量以击碎猎物外壳。这些“弹簧”由螺旋排列的甲壳素纳米纤维构成，卷曲堆叠方式使每个部分的结构形似真实的弹簧。此类设计不仅调控声波传播路径以防止结构断裂，还能保护内部的神经与软组织免受高频振动损伤。究其原因，是由于循环排列区域的螺旋纤维排列可产生声子剪切波带隙，从而可选择性过滤纳秒级空化气泡坍塌产生的低频兆赫范围剪切波，保护软组织免受损伤。


研究团队拍摄的甲壳素纤维束电镜图像。 看武功高手如何“化劲儿” 螳螂虾拥有强大攻击力的代价便是要承受自身产生的猛烈冲击。如同传说中擅长“化劲儿”的武林高手，它们能够借助自身独特的结构，巧妙消散掉可能有害的冲击波。这种能力也给人类带来了许多启发。 为探究螳螂虾掠足的承力极限，研究人员随后对活体虾进行了实验：模仿在海中击碎贝壳时的情景，让螳螂虾击打压电力传感器。此外，他们还用超声及高超声激光照射螳螂虾掠足标本切片，从微观层面上观察其抵御声波的过程。


研究团队绘制的螳螂虾攻击过程。 通过追踪声波在掠足表面的传播路径，研究人员确定了哪一区域对波的消散作用最强。结果显示：第二层即“冲击区”承担了最高应力水平，而循环排列区域的防护效率与之接近。二者的协同作用使掠足几乎能完全化解自身产生的应力。 螳螂虾这种防护结构在自然界中很少能找到其他例子。先前曾有研究发现，某些飞蛾翅膀的鳞片能够吸收捕食蝙蝠的声波，避免通过回声定位被发现。对螳螂虾掠足结构的研究，为理解自然界中的天然结构如何化解高频能量提供了新视角。 研究人员称，螳螂虾因其显著的冲击相关特性，长期被视为生物工程的典范。理解螳螂虾如何抵御极端冲击或许能够启发一些全新的技术，对其掠足结构的研究可能影响未来军用防护装备与运动护具的设计。“螳螂虾的冲击包含超声波频段成分，这促使我们以超声波过滤为关键保护机制开发仿生方案。”研究团队在同一论文中表示。 或许在未来，你佩戴的一款新型自行车头盔的设计灵感，就源自这种体长仅7英寸、却能在高压下“坚不可摧”的生物。