Mantis Shrimp kann für ihren starken Schlag bekannt sind, und kann eine Hülle mit der Kraft eines Kalibers von 0,22 zerschlagen. Erstaunlicherweise bleiben diese harten Tiere trotz der intensiven Schockwellen intakt, die durch ihre eigenen Streiks erzeugt werden.
Forscher der Northwestern University haben entdeckt, wie Mantis -Garnelen für ihre eigenen Schläge undurchlässig bleiben. Ihre Fäuste oder Dactylclubs sind mit Schichtmustern bedeckt, die den Ton selektiv herausfiltern. Durch Blockieren spezifischer Schwingungen wirken die Muster wie ein Schild gegen selbst erzeugte Schockwellen.
Die Studie wird am Freitag (7. Februar) in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
Die Ergebnisse eines Tages könnten auf die Entwicklung synthetischer, schallfilterender Materialien für Schutzausrüstung angewendet werden und neue Ansätze zur Reduzierung von Verletzungen im Zusammenhang mit Explosionen bei Militär und Sport inspirieren.
„Die Mantis-Garnelen sind bekannt für seinen unglaublich starken Streik, der Mollusk-Schalen und sogar Crack-Aquariumglas brechen kann“, sagte Horacio D. Espinosa von Northwestern, der mit dem Mitkreuchten der Studie. „Um diese hochwirksamen Streiks wiederholt auszuführen, muss der Dactylclub der Mantis Shrimp einen robusten Schutzmechanismus haben, um die Selbstdauer zu verhindern. Die meisten früheren Arbeiten konzentrierten .
Espinosa ist Experte für bio-inspirierte Materialien und ist der Professor James N. und Nancy J. Farley für Fertigung und Unternehmertum und Professor für Maschinenbau am Northwestern’s McCormick School of Engineering, wo er das Institut für Zellingenieurtechnologien leitet. Espinosa leitete die Studie in Zusammenarbeit mit M. Abi Ghanem vom Institute of Light and Matter, einer gemeinsamen Forschungseinheit zwischen Claude-Bernard-Lyon-I-Universität und dem Zentrum für nationale wissenschaftliche Forschung in Frankreich.
Ein verheerender Schlag
Mantis-Garnelen leben in flachen, tropischen Gewässern und sind mit einem hammerähnlichen Dactylclub auf jeder Seite seines Körpers bewaffnet. Diese Clubs speichern Energie in elastischen, federartigen Strukturen, die durch verriegelungsähnliche Sehnen an Ort und Stelle gehalten werden. Wenn der Riegel veröffentlicht wird, wird auch die gespeicherte Energie veröffentlicht – und treibt den Club mit Sprengkraft vor.
Mit einem einzigen Schlag kann Mantis -Garnelen Beute schlachten oder ihr Territorium vor den interessanten Konkurrenten verteidigen. Wenn der Schlag durch das umliegende Wasser reißt, erzeugt er eine Niederdruckzone dahinter, wodurch sich eine Blase bildet.
„Wenn die Mantis -Garnelen schlägt, erzeugt der Einfluss Druckwellen auf sein Ziel“, sagte Espinosa. „Es schafft auch Blasen, die schnell zusammenbrechen, um Schockwellen im Megahertz -Bereich zu erzeugen. Der Zusammenbruch dieser Blasen setzt intensive Energiestürme frei Shrimps Streik noch verheerender. „
Schutzmuster
Überraschenderweise schädigt diese Kraft nicht die empfindlichen Nerven und Gewebe der Garnelen, die in ihrer Rüstung umhüllt sind.
Um dieses Phänomen zu untersuchen, verwendeten Espinosa und Kollegen zwei fortschrittliche Techniken, um die Rüstung der Mantis -Garnelen ausführlich zu untersuchen. Zunächst wendeten sie transiente Gitterspektroskopie an, eine auf Laserbasis basierende Methode, die analysiert, wie sich Spannungswellen durch Materialien ausbreiten. Zweitens verwendeten sie Picosekundenlaser -Ultraschall, die weitere Einblicke in die Mikrostruktur der Rüstung liefern.
Ihre Experimente zeigten zwei unterschiedliche Regionen – jeweils für eine bestimmte Funktion entwickelten – innerhalb des Clubs der Mantis Shrimp. Die Aufprallregion, die für die Verbreitung von BLUBS verantwortlich ist, besteht aus mineralisierten Fasern, die in einem Fischgrätenmuster angeordnet sind und es zu einem Widerstand gegen das Scheitern verleihen. Unter dieser Schicht zeigt der periodische Bereich verdrehte, korkenzieherartige Faserbündel. Diese Bündel bilden eine Bouland -Struktur, eine Schichtanordnung, in der jede Schicht im Vergleich zu ihren Nachbarn progressiv gedreht wird.
Während das Fischgrätenmuster den Club gegen Frakturen verstärkt, regiert die Korkenzieherregelung, wie Stresswellen durch die Struktur fließen. Dieses komplizierte Design fungiert als phononischer Schild und filtert selektiv Hochfrequenzspannungswellen, um zu verhindern, dass schädliche Schwingungen sich in den Arm und den Körper der Garnelen zurückbreiten.
„Die periodische Region spielt eine entscheidende Rolle bei der selektiven Filterung von Hochfrequenz-Scherwellen, die für biologische Gewebe besonders schädlich sind“, sagte Espinosa. „Dies schützt die Garnelen effektiv vor schädlichen Stresswellen, die durch den direkten Aufprall und den Zusammenbruch der Blasen verursacht werden.“
In dieser Studie analysierten die Forscher 2D -Simulationen des Wellenverhaltens. Laut Espinosa sind 3D -Simulationen erforderlich, um die komplexe Struktur des Clubs vollständig zu verstehen.
„Zukünftige Forschungen sollten sich auf komplexere 3D -Simulationen konzentrieren, um vollständig zu erfassen, wie die Struktur des Clubs mit Schockwellen interagiert“, sagte Espinosa. „Darüber hinaus würde es uns ermöglichen, aquatische Experimente mit hochmodernen Instrumenten zu untersuchen, wie phononische Eigenschaften unter untergetauchten Bedingungen funktionieren.“
Die Studie „Packt die Mantis -Garnelen -Garnelen einen phononischen Schild?“ wurde vom Air Force Office of Scientific Research, dem Office of Naval Research und der National Science Foundation unterstützt.
