世界最快“拳王”揭秘螳螂蝦的“盾牌”

世界上“出拳”速度最快的甲殼類動物——螳螂蝦，已經進化出能在不傷害自身的情況下對獵物發出致命一擊。科學家發現，螳螂蝦的“拳擊手”，或稱“指節棒”，具有多層結構，能在擊碎軟體動物或其他甲殼類動物外殼時，吸收自身行為的沖擊波，這些發現為設計新型堅韌材料提供靈感。2月6日，相關研究發表于《科學》。

研究合著者、法國國家科學研究中心物理學家Maroun Abi Ghanem表示，這些發現可以為設計具有實用性能的人工材料提供靈感，這些材料可用于制造外科植入物，在超聲波檢查中收集穿過組織的能量，或者制造手機和其他電子設備的機械過濾器。

Abi Ghanem和同事們分析了原產于印度洋和太平洋的孔雀螳螂蝦的指節棒，發現指節棒的外骨骼含有一種名為甲殼素的天然聚合物，和一種類似人類骨骼和牙齒中的含鈣礦物質，共有三層結構，中間包含“布利岡結構”，在這一層中，甲殼素纖維像一束束鉛筆般排列，向不同方向伸展，有的指向外層，有的與外層平行，還有一些介于兩者之間形成一定角度。這些纖維的排列方向并非隨機，而是呈現每500微米左右重復一次的周期性變化。

2015年，研究人員提出一種看法，甲殼素纖維的這種不尋常結構——特別是周期性賦予了指節棒吸震特性。他們認為，這層外骨骼可能起到過濾器的作用，捕捉最危險的最高頻率的沖擊波，并將它們的能量集中在僅納秒長的爆發中，Abi Ghanem說：“如果能量在短時間內集中能量，破壞性會更大。這種機械能量應該以某種方式被吸收，以免傷害到螳螂蝦本身。”

最新研究的作者們利用一種名為泵浦探針激光超聲波的技術，證明了這些研究者的看法是正確的，他們用一束激光在指節棒外骨骼樣本中產生高頻波，再用另一術激光測量這些波如何在中間層被捕獲。Abi Ghanem說：“周期性非常重要，它來自于纖維的旋轉，可以過濾兆赫的彈性波。”

意大利特倫托大學的材料科學家Nicola Pugno指出，這項研究證實了螳螂蝦指節棒中的布利岡結構可以選擇性過濾有害沖擊波，這些研究凸顯了“利用自然設計進行技術應用的潛力”。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adq7100