Mga Materyal na Funky Bigyan ang Mantis Shrimp Nito Napakahusay na Punch


Isipin para sa isang ikalawang na ikaw ay isang alimango, at isang kapwa crustacean na tinatawag na isang mantis hipon ay nagpasya na gumawa ka nito tanghalian. Ang katotohanan ay, ito ay hindi nagkakahalaga ng struggling. Ang mantis shrimp ay gumagamit ng mga kalamnan upang manok sa likod ng dalawang mga hammer-like appendage sa ilalim ng mukha nito, na nagtatago ng enerhiya sa isang saddle-like divot sa mga limbs. Kapag inilabas nito ang aldaba, mabilis na pinabilis ng mga martilyo, at sinaktan ang iyong shell na may ganitong kalupitan, na gumawa sila ng mga bula ng cavitation sa tubig, na bumagsak at nagpapalabas ng pangalawang shockwave na nagpapalamig sa iyo. (Kung ikaw nagkaroon nagpasiya na maglagay ng labanan, ang mantis shrimp ay madiskarteng tinatangay sa una mong claws, at pagkatapos ay punched ka sa mukha hanggang sa namatay ka.)

Iyan ay marami upang i-unpack, at walang nakakaalam ng pakikibakang mas mahusay kaysa sa mga siyentipiko. Sa loob ng maraming taon, gumagamit sila ng high-speed photography upang malaman kung paano maaaring pamahalaan ng isang maliit na crustacean kung ano ang marahil ang pinaka-makapangyarihang pound-for-pound punch sa kaharian ng hayop-at sa makabuluhang sobrang drag ng tubig, hindi kukulangin. Isang malaking susi, ang mga mananaliksik ay nag-uulat ngayon sa journal iScience, ay hindi lamang ang hugis ng pag-uumpok ng enerhiya na ito, kundi ang matalino na komposisyon nito. Ngayon ang engineering na ginawa ng mantis shrimp isa sa mga pinaka-galit na galit killers sa dagat ay maaaring gawin ang paraan sa mga robot-sa isip hindi ng mga galit na galit iba't-ibang killer.

Maryam Tadayon / Nanyang Technological University

Ang mga mananaliksik ay nagsimula sa pamamagitan ng pagsisiyasat ng saddle ng isang mantis shrimp (na kung saan ay hindi talaga isang hipon, sa pamamagitan ng ang paraan, ngunit isang stomatopod) sa isang pamamaraan na tinatawag na nanoindentation. "Sa karaniwan, maaari mong suriin ang mekanika sa napakaliit na antas," sabi ni coauthor Ali Miserez, isang propesor na nag-aaral ng bioinspired engineering sa Nanyang Technological University sa Singapore. "Gumagamit ka ng isang brilyante tip at itinutulak mo ang mga materyales."

Ang nakita ni Miserez at ng kanyang mga kasamahan ay pantay na mga bahagi na kakaiba at evolusyal na napakatalino. Ang upuan ay binubuo ng mga hugis at itaas na layer: Sa tuktok ay isang bioceramic, hindi katulad ng kung ano ang gusto mong mahanap sa isang coffee mug, habang sa ibaba ay isang stretchy materyal na tinatawag na isang biopolymer.

Kapag ikaw ay nasa negosyo ng walloping, ang ceramic ay maaaring hindi maisip bilang iyong matibay na materyal ng pagpili. "Namin ang lahat ng impresyon na ang mga keramika ay malutong," sabi ni Miserez. "Kung ibababa ko ang tasa ng kape sa sahig malamang na masira ito. Ngunit talagang ito ay malutong sa pangunahin sa pag-igting, kapag kinuha mo ito. Ngunit kung siksik ka ng karamik ay medyo malakas. "

Maryam Tadayon / Nanyang Technological University

Kapag ang mantis shrimp ay nag-load enerhiya sa saddle na, ang istraktura ng uri ng mga folds sa sa sarili, pag-compress sa tuktok layer ng ceramic at exploiting nito materyal na mga katangian. Tulad ng ginagawa nito, ang ilalim na layer ng biopolymer umaabot, pagsasamantala ng partikular na asset ng materyal na iyon. "Ang mga polimer ay malakas sa pag-igting, tulad ng sutla halimbawa, ngunit hindi sa compression," sabi ni Miserez. Kaya ang bawat materyal ay katangi-tangi na angkop, binigyan ang posisyon nito sa siyahan, upang magbigay ng lakas kaya ang martilyo ay hindi snap.

Upang subukan ang eksperimento na ito, nakuha ng mga mananaliksik ang isang laser. Ginamit nila ang mabilis na pagpapaputok ng picosecond laser, na pinutol ang tumpak na piraso ng mantis shrimp saddle material. "Kung hinuhugot mo ang halimbawang ito, at mayroon kang tuktok na layer sa compression at pagkatapos ay ang ilalim na layer sa pag-igting, tulad ng sa saddle sa panahon ng aktwal na strike, maaari mong maabot ang mas mataas na lakas," Miserez. I-flip ang sample na baligtad at liko muli, at nabigo ito. "Iyon ay ang pang-eksperimentong patunay na sa katunayan ito spatial arrangement ay kritikal."

Maryam Tadayon / Nanyang Technological University

Ito ay isang malaking piraso ng smashy palaisipan na ang mantis hipon strike. "Ang paggamit ng nababanat na enerhiya na imbakan upang magmaneho ng napakabilis na paggalaw ay hindi lamang lubos na nauunawaan, at halos hindi ito pinag-aralan," ang sabi ng biologong Duke na si Sheila Patek, isang dalubhasa sa hipon. "Ito ay isang talagang magandang piraso ng isang kuwento na gumaganap sa mantis hipon, ngunit ito rin ay pangunahing sa maraming mga maliit na organismo na gumagamit ng mga materyales upang himukin ang kilusan."

Kaya ang bitag na panga ng apoy, halimbawa, ay nagtutulak ng mga panga nito at sinunog ang mga ito sa 145 kilometro bawat oras upang basagin ang mga kaaway nito at kahit na maalis ang sarili nito mula sa panganib sa pagpuntirya sa mukha nito sa lupa. Gumagamit din ang pistol shrimp ng mekanismo ng pag-latch upang magsunog ng mga bullet ng mga bula mula sa mga claw nito. Ang lahat ay nakakakita ng kapansin-pansin, ngunit mahirap ipaliwanag kung hindi mo hinahanap ang mga kaayusan na kasama ng kanilang geometry at mga materyales.

Bukod sa pagtulong sa paglutas ng mga cool na biological misteryo, ang pananaliksik na ito ay maaaring makahanap ng mga gamit sa robotics. Ang iyong karaniwang robot ay gawa sa metal, hindi keramika. Ngunit ang mga keramika ay talagang mas stiffer at mas magaan kaysa sa mga metal, na maaaring maging kapaki-pakinabang kung maaari naming i-offset ang kanilang malutong kalikasan. "Kung mayroon kang isang bilayer arrangement, pagkatapos ay sa prinsipyo maaari mong pagtagumpayan ito brittleness," sabi ni Miserez. "Maaari kang mag-imbak ng isang mas mataas na halaga ng enerhiya sa isang mas mababang gastos sa timbang."

Video ni Maryam Tadayon / Nanyang Technological University

Alam mo, para sa mga bagay na tulad ng paglukso. Hindi pagsuntok ang mga alimango (o mga tao) sa mukha.


Higit pang mga Great WIRED Stories