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除了椒盐清蒸水煮麻辣之外,你所不知道的皮皮虾

楼主:DeepTech深科技 时间:2020-04-28 04:53:39

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可能是DT君写过最长的编者按:正值春夏之交,说起皮皮虾或者濑尿虾,在热爱海鲜的小伙伴脑海里,出现的一定是以下画面:





如果大家稍微再做一点功课,大概能了解到以下信息:


皮皮虾,更加“正规”一点的名称叫做虾蛄,隶属于口足目,同时,还有一堆俗称,包括,濑尿虾、螳螂虾、虾爬子、富贵虾等等等等。。。我们通常吃的皮皮虾大约是20-30厘米长,但是皮皮虾也可以很大,网上有记录可查的皮皮虾最长可达46cm,接近半米。而且皮皮虾也不止一种颜色:





如果再多深入一些研究,就会发现,皮皮虾完全不像它的名字那么呆萌,绝对不是“吃素的”,而是天生的战斗种族。它的一对捕捉足类似螳螂,按照功能可以分为穿刺型和粉碎型两类,后者的威力要大得多,甚至有一击把水族箱的玻璃击穿的能力。下面我们就来看看,这“战斗力”到底有多强大。


首先是惊人的视力,每个眼睛都有三重视野





 游起来飞快.....




最爱吃有壳的....




以下是这一套凶猛的“组合拳”的数据描述:皮皮虾在“出拳”时,“拳速”高达80公里每小时,加速度超过10000个g(重力加速度),这个数据甚至比点22口径子弹射击时的加速度还要高,名副其实的“子弹拳击手”。





螃蟹也轻松搞定,看一只腿断了





另一也断了……





个大点儿也一样





偶尔也踢个足球,这水平可以去法国么?




咦,虾呢.......




如此惊人的表现让科学家们对这对“虾拳”的材料好奇不已,因为它们击打猎物时受到的冲击力高达1500牛顿(约150kg),到底是什么样子的材料才能在如此高强度的反复使用中不致损坏,有没有可能人工“模拟”出这样的材料?


今年五月底发表在《先进材料》杂志上的一篇文章中,来自美国加利福尼亚大学的科学家们对皮皮虾的捕捉足材料进行了细微分析,并且尝试了用3D打印的方式对其进行了模拟,同时进行了一系列的的力学测试与分析。


事实证明,皮皮虾的秘密是有可能被模仿和复制的,“虾拳”材料作为一种超强材料,拥有巨大的应用前景,包括用来加固头盔、防弹衣、盾牌、甚至是坦克装甲车等。DT君将过程与结果整理后,来和大家聊一聊皮皮虾仿生学。



其实关于皮皮虾的惊人表现,早就引起了科学家的注意,不过到底是什么原因才能让这对“虾拳”成为地球上最强生物材料之一,一直也没有定论。最近发表在《先进材料》(Advanced Materials)上的一篇论文终于将这个谜底揭开。


下面我们就要进入揭秘环节了,首先,要弄清楚材料的构造,就必须先要“看清楚它。为了把它放大,再放大来看,这个时候就需要各种神器相助了。


先出场的分别是光学显微镜(左)和纳米压痕仪(Nanoindentation,右)。



光学显微镜DT君就不再赘述介绍了。纳米压痕仪则是一种在纳米尺寸测量材料各种机械性质的仪器,原理和宏观的测试仪器没有本质区别,唯一的缺点就是贵!就图中的这么一台纳米压印仪的价格至少在50万美金。


有了神器相助,我们可以近距离地看一看地球上最强生物材料的真面目了。继续看图说话。(以下与实验数据相关的图片都来自于N. A. Yaraghi, et al, , Advanced Materials 2016,在公众号底部回复“皮皮虾论文”,可下载论文。)


万事俱备,只欠一只皮皮虾,那么就来一只雀尾螳螂虾(Odontodactylusscyllarus)吧,这种长得类似螳螂的皮皮虾主要分布在热带海域,是天生的捕猎大师,以各类海底生物为食。图b则是它的捕捉足放大图。目测来看这只“拳头”的大小约为7毫米。



接下来我们就要进一步把“虾拳”放大了,图c是图b中的黄色框的放大图,当图中出现黄色的框,就意味着下面的图中会有进一步的放大,因此请注意看图c里面的d框(g框里的内容因与核心结构无关,在次就不做特别说明了,有兴趣的朋友可查看论文)。



皮皮虾“拳头”的秘密其实到这张图(图d)就已经揭开了一半,在图里可以看到三层区域。



现在我们来看看皮皮虾捕捉足的这三层材料的结构到底藏着些什么秘密?在图d中从上往下看,第一层是捕捉足的最外层,叫做抗冲击表面(Impact Surface),这层将会直接作用于猎物。接下来就是抗冲击区域(Impact Region),这里藏着皮皮虾最大的秘密——周期性人字形结构(要显得更专业一些的话,也可以叫它周期性正弦波结构)。


上图里,中间这一层的这些一楞一楞的形状可以看成波的一个一个周期,横向的长度就叫做波长(λ),纵向的长度可以认为是波的振幅(A),而A与λ的比值可以用来描述这一个个“人”的“体型”,比值越大,越加瘦长;比值越小,越加矮胖。最下面一层则是周期层(PeriodicRegion),从图上看,只是比较简单的层状结构。三层的构成材料的主要成分都是甲壳素(chitin)纤维,区别在于钙化程度(钙化物主要有碳酸钙、磷酸钙以及磷灰石),在一定范围内,钙化程度越高,材料就越硬且强度越高。

 



现在,我们让近距离观察下上图中的人字形结构,这也是皮皮虾捕捉足强度如此之高的核心秘诀。图d中的方框区域在图e中被放大显示了,这里可以更加清晰地看到这些周期性人字形结构。高大上的纳米压痕仪在此刻终于闪亮登场,在图f中给出了图e所在区域的材料弹性模量分布图。简单来说弹性模量越大,即在图上越红,该区域的材料就强度越高,越难以形变。


这个时候就能看出人字形结构的好处了,结构内的强度梯度使得整体材料不管从哪个方向上都能形成“高强度/低强度/高强度”这样的多层结构。而说起多层结构最好的直观展示就是坦克的复合装甲了,大家可以看下面的视频。(可惜的是坦克装甲的具体构造和材料都是机密材料,大家看个意思就行了。)

 


第一轮光学显微镜观察完毕后,我们的收获就是这个周期性的人字形结构,然而遗憾的是因为放大的倍数不够,那些甲壳素纤维是无法被直接看到的。


但为了人为模拟皮皮虾材料,就必须先了解这些纤维是如何“编织”在一起的,我们只好祭出下一轮大杀器,电子扫描显微镜(SEM)。



其实,上图中的大杀器电子扫描显微镜也算是纳米科研界最常用的仪器之一,操作简单,使用方便,成像迅速锐利,缺点一是贵,二来难以应用于导电性差的表面,因此这次的皮皮虾样品在表征之前被镀上了高大上的铂金。


由于大杀器出的图统统是黑白的(图c中的颜色是后期PS的),DT君就不列出太多来考验大家的视力了。简单来说,图中大约可以看出纵向的(图c中黄色部分)与横向的(图d)甲壳素纤维。



如果刚刚的图还不够清楚的话,那么下面这个3D示意图应该足够清楚了吧。这也是皮皮虾捕捉足的基本结构,这么编织起来的结构有一个专业术语,叫做Bouligand结构。



最后再来说一下捕捉足的的最表面。下图显示了前面提到的抗冲击表面,也就是皮皮虾捕捉足的最表面的内部结构。因为钙化程度已经非常高了,所以整层的材料由一个一个结晶形成的纳米颗粒组成,这里也是整个捕捉足最硬的区域。



了解了捕捉足的构成与结构之后,研究组接下来做的事情,就是用3D打印机模拟出普通的Bouligand结构和皮皮虾特有的周期性人字形结构(helicoidal),并把它们的机械性能做一个比较,看看皮皮虾的特有结构到底有多神奇。


打印出来的材料示意图就是这样,两个的区别就在于左图只是普通的Bouligand结构,右图带有了周期性人字形结构。


其实测试的结果有很多,但是为了避免彻底将可爱的皮皮虾介绍文变成一篇材料系论文,DT君就只选择了其中这个最容易看懂的图。这里做的是一个压缩测试(简单是就是把材料“压扁”),给出的是在相对形变为0.1(就是把材料“压扁”了10%)时候得内部相对剪切形变分布图。图中的绿色和浅蓝色代表了较小的形变,越往外的颜色,即紫色和红色就代表了材料内部的纤维被拉扯得越厉

害。



如果没有这些皮皮虾的关键性人字形结构的话,按照类似普通甲壳类动物,人造编织起来的Bouligand结构的(左图)内部受力并不均匀。Bouligand结构测试结果的颜色是彩虹状分布,其中有些颜色最深的地方已经是深红色,这说明该处的纤维被拉长了整整一倍。相形之下,周期性的人字形结构材料(右图)的内部形变则小得多,只有极少部分出现了深蓝色。所以从这张图就可以明显看出,周期性人字形结构可以很好地分散所受外力,从而能够最大程度地保持材料本身的稳定。

 

正式因为这个神奇的周期性人字形结构,使得皮皮虾的“虾拳”成为了地球上最强的生物材料之一。如果可以将以上3D打印出的周期性人字形结构一层一层叠加起来,真正达到100%仿皮皮虾的效果,由于这类材料本身十分轻薄,可能的应用将是不可限量的。马上可以脑补到的用处,就是强化现有的个人防护系统,比如:




或者,做得再厚一些,也可以强化更猛的:




要是成本不高的话,都来一层也没有坏处吧:




目前DT君能说的是,解开秘密是第一步,简单模拟是第二步,至于接下来直到真正投入应用之间的那么多步,就让我们一起期待科学家们带给我们惊喜吧。

 


参考文献:

[1] S. Nightingale, Mantisshrimp inspires next generation of ultra-strong materials, 2016, http://phys.org/news/2016-05-mantis-shrimp-ultra-strong-materials.html

[2] N. A. Yaraghi, et al, ASinusoidally Architected Helicoidal Biocomposite, Advanced Materials 2016, DOI:10.1002/adma.201600786.

[3] A. Holladay, Shrimpspring into shattering action,USA Today, 2006, http://usatoday30.usatoday.com/tech/columnist/aprilholladay/2006-01-09-shrimp_x.htm

[4] G. Telis, Mantis ShrimpSmash!,Science News 2012, http://www.sciencemag.org/news/2012/06/mantis-shrimp-smash


 

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