螳螂虾棒过滤声音以减轻损害

螳螂虾以其强大的冲击力而闻名，它可以用.22口径子弹的力量粉碎外壳。然而，令人惊讶的是，尽管它们自己的撞击产生了强烈的冲击波，但这些坚硬的生物仍然完好无损

西北大学的研究人员发现了螳螂虾是如何保持不受自身攻击的。他们的拳头或指棒上覆盖着分层图案，有选择地过滤掉声音。通过阻挡特定的振动，这些图案就像一个屏蔽自产生的冲击波的盾牌

该团队的研究今天发表在《科学》杂志上

这些发现有朝一日可能会应用于开发用于防护装备的合成声音过滤材料，并激发减少军事和体育中爆炸相关伤害的新方法

该研究的合著者、西北大学的Horacio D.Espinosa说：“螳螂虾以其令人难以置信的强大攻击力而闻名，这种攻击力可以打破软体动物的外壳，甚至打碎水族馆的玻璃。”

“然而，为了反复执行这些高冲击打击，螳螂虾的趾棒必须有一个强大的保护机制来防止自我伤害。之前的大多数工作都集中在该棒的韧性和抗裂性上，将该结构视为一个坚固的冲击盾牌。我们发现它使用了声子机制——一种选择性过滤应力波的结构。这使虾能够在多次冲击中保持其打击能力，并防止软组织损伤。”

一个毁灭性的打击

生活在热带浅水区的螳螂虾子身体两侧各有一个锤状的趾棒。这些球杆在弹性的弹簧状结构中储存能量，这些结构由闩状肌腱固定在适当的位置。当锁扣被释放时，储存的能量也会被释放——以爆炸力推动球杆向前

只需一击，螳螂虾就可以杀死猎物或保护自己的领土免受闯入的竞争对手的攻击。当冲头撕裂周围的水时，它会在后面形成一个低压区，导致气泡形成。

埃斯皮诺萨说：“当螳螂虾撞击时，撞击会在目标上产生压力波。”。“它还会产生气泡，气泡会迅速破裂，产生兆赫范围内的冲击波。这些气泡的破裂会释放出强烈的能量，这些能量会穿过虾的球杆。这种次级冲击波效应，再加上初始冲击力，使螳螂虾的攻击更具破坏性。”

保护模式

令人惊讶的是，这种力不会损伤虾的脆弱神经和组织，这些神经和组织被包裹在它的盔甲中

为了研究这一现象，Espinosa和他的同事们使用了两种先进的技术来仔细检查螳螂虾的盔甲。首先，他们应用了瞬态光栅光谱学，这是一种基于激光的方法，可以分析应力波如何在材料中传播。其次，他们采用了皮秒激光超声波，这为装甲的微观结构提供了进一步的见解

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他们的实验揭示了螳螂虾俱乐部内的两个不同区域，每个区域都是为特定功能而设计的。负责提供破碎打击的冲击区域由以人字形排列的矿化纤维组成，使其具有抗破坏性。在这一层之下，周期性区域以扭曲的螺旋状纤维束为特征。这些束形成了Bouligand结构，这是一种分层排列，其中每一层相对于其相邻层逐渐旋转

虽然人字形图案可以增强球杆的抗骨折能力，但螺旋排列控制着应力波在结构中的传播方式。这种复杂的设计就像一个声子屏蔽，有选择地过滤高频应力波，以防止破坏性的振动传播回虾的手臂和身体

Espinosa说：“周期性区域在选择性地滤除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的破坏尤其严重。”。“这有效地保护了虾免受直接撞击和气泡破裂造成的破坏性应力波。”

在这项研究中，研究人员分析了波浪行为的二维模拟。埃斯皮诺萨说，需要3D模拟来充分了解俱乐部的复杂结构

埃斯皮诺萨说：“未来的研究应该集中在更复杂的3D模拟上，以充分捕捉俱乐部结构如何与冲击波相互作用。”。“此外，使用最先进的仪器设计水生实验将使我们能够研究声子特性在水下条件下的作用。”