Исследователи в Сингапуре теперь могут объяснить, что дает креветке-богомолу, морскому ракообразному, который охотится, избивая свою добычу своими булавовидными придатками, самый сильный удар в животном мире. В статье, опубликованной 19 октября в журнале iScience, они показывают, что седловидная структура в конечностях креветки-богомола, которая действует как пружина для накопления, а затем высвобождения энергии, состоит из двух слоев, сделанных из разных материалов. Измерение состава и микромеханических свойств слоев, которые в основном состоят из биокерамики и биополимера соответственно, позволило исследователям смоделировать, как седло сохраняет такое большое количество упругой энергии, не ломаясь.
«Природа создала очень умный дизайн в этом седле», - говорит старший автор Али Мисерез, материаловед, изучающий уникальные биологические структуры в Наньянском технологическом университете в Сингапуре. «Если бы он был сделан из одного однородного материала, он был бы очень хрупким. Он бы точно сломался».
Предыдущее исследование, проведенное в лаборатории биолога Шейлы Патек, изучило дактильные булавы креветок-богомолов - придатки, которые они используют для нападения на свою добычу, - и предположило, что мышцы сами по себе не могут создать такую силу, с которой ракообразные наносят удары.. В другом исследовании была выдвинута гипотеза о том, что седло может использоваться для накопления упругой энергии, но изучение структуры и механических свойств седла было сложной задачей. «Движение настолько быстрое, что люди не могли сосредоточиться только на самом седле, поэтому нам нужно было изучить его с помощью компьютерного моделирования», - говорит Мисерез.
Его команда проанализировала состав седла, сделав микроизмерения механических свойств материалов, чтобы смоделировать удар креветки-богомола. Они обнаружили, что верхний слой седла состоит в основном из относительно хрупкой биокерамики, похожей на зуб или кость, в то время как нижний слой содержит более высокое содержание биополимеров, которые являются волокнистыми, как веревка, и поэтому прочными при натягивании. Когда мышцы и соединительные ткани креветки-богомола загружают энергию в седло, верхний слой сжимается, а нижний растягивается, а это означает, что каждый слой подвергается действию сил, которым он лучше всего может противостоять.
Если бы вы попросили инженера-механика сделать пружину, которая может накапливать много упругой энергии, они бы не подумали об использовании керамики. Керамика может накапливать энергию, если вы можете деформировать ее, но они настолько хрупким, что это не было бы интуитивно понятным», - говорит Мисерез. «Но если вы сожмете их, они станут довольно прочными. И они жестче, чем металл или любой полимер, так что вы можете хранить больше энергии, чем могли бы с этими материалами».
Исследователи также провели серию экспериментов, используя небольшие полоски настоящих седловидных структур, которые они вырезали с помощью мощного пикосекундного лазерного луча. Они проанализировали, как распределялись силы, когда полоски сгибались так, как у креветки-богомола, и когда они сгибались не в ту сторону. Когда они были согнуты не в ту сторону, когда биополимеры сжимались, а биокерамика растягивалась, полоски были менее способны выдерживать сильные нагрузки, вероятно, из-за крошечных трещин в керамическом слое.
Мисерез и его коллеги продолжают изучать структуру седла креветки-богомола и даже начали 3D-печать некоторых собственных пружин, вдохновленных креветкой-богомолом, которые потенциально могут быть использованы в микроробототехнике.
«С точки зрения фундаментальной науки механика этой структуры весьма интересна», - говорит он. «Но этот дизайн также показывает, что вы можете сделать очень эффективную пружину - и вы можете сделать ее из керамики, которая более эффективна, чем другие материалы, которые люди используют сейчас. Вы можете использовать материалы, о которых вы даже не подумали бы. на основе ваших знаний в области машиностроения."