Исследователи из Северо-Западного университета обнаружили, как креветки-богомолы остаются невосприимчивыми к собственным ударам. Их кулаки, или дактильные дубинки, покрыты многослойными узорами, которые избирательно отфильтровывают звук. Блокируя определенные вибрации, узоры действуют как щит от самогенерирующихся ударных волн.

Исследование будет опубликовано в пятницу (7 февраля) в журнале Science.

Полученные результаты когда-нибудь могут быть применены для разработки синтетических звукофильтрующих материалов для защитного снаряжения, а также послужат источником вдохновения для новых подходов к снижению травматизма, связанного со взрывом, в армии и спорте.

"Креветка-богомол известна своим невероятно мощным ударом, который может разбивать раковины моллюсков и даже трескаться аквариумное стекло", - сказал Орасио Д. Эспиноса из Northwestern, соавтор исследования. "Однако, чтобы многократно наносить эти мощные удары, дактильная клюшка креветки-богомола должна иметь надежный механизм защиты, предотвращающий самоповреждение. Большая часть предыдущих работ была сосредоточена на прочности клюшки и трещиностойкости, рассматривая конструкцию как усиленный ударопрочный щит. Мы обнаружили, что он использует фононные механизмы - структуры, которые избирательно фильтруют волны напряжения. Это позволяет креветке сохранять свою поражающую способность при многократных ударах и предотвращает повреждение мягких тканей".

Эспиноса является экспертом по материалам, созданным на основе биоматериалов, профессором производства и предпринимательства Джеймса Н. и Нэнси Дж. Фарли и профессором машиностроения в Северо-Западной инженерной школе Маккормика, где он руководит Институтом технологий клеточной инженерии. Эспиноса руководил исследованием в партнерстве с М. Аби Ганем из Института света и материи, совместного исследовательского подразделения Университета Клода-Бернара-Лиона-I и Центра национальных научных исследований во Франции.

Сокрушительный удар

Обитающие в неглубоких тропических водах креветки-богомолы вооружены по одной молотообразной дактилевой дубинке с каждой стороны своего тела. Эти клюшки накапливают энергию в эластичных, похожих на пружины структурах, которые удерживаются на месте сухожилиями, похожими на защелки. Когда защелка отпускается, запасенная энергия тоже высвобождается - дубинка продвигается вперед со взрывной силой.

Одним ударом креветки-богомолы могут убить добычу или защитить свою территорию от вторгающихся конкурентов. Когда пуансон пробивает окружающую воду, он создает за собой зону низкого давления, в результате чего образуется пузырь.

"Когда креветка-богомол наносит удар, удар создает волны давления на ее цель", - сказал Эспиноса. "Это также создает пузырьки, которые быстро разрушаются, создавая ударные волны в мегагерцовом диапазоне. При разрушении этих пузырьков высвобождаются интенсивные выбросы энергии, которые проходят через клубок креветок. Этот вторичный эффект ударной волны, наряду с первоначальной силой удара, делает удар креветки-богомола еще более разрушительным."

Защитные узоры

Удивительно, но эта сила не повреждает нежные нервы и ткани креветки, которые заключены в ее панцирь.

Чтобы исследовать это явление, Эспиноза и его коллеги использовали два передовых метода для детального изучения панциря креветки-богомола. Во-первых, они применили спектроскопию переходной решетки - лазерный метод, который анализирует, как волны напряжения распространяются через материалы. Во-вторых, они использовали пикосекундный лазерный ультразвук, который позволяет глубже проникнуть в микроструктуру брони.

Их эксперименты выявили две различные области, каждая из которых предназначена для выполнения определенной функции, внутри клуба креветок-богомолов. Ударная область, ответственная за нанесение сокрушительных ударов, состоит из минерализованных волокон, расположенных в виде елочки, что придает ей устойчивость к разрушению. Под этим слоем периодическая область содержит скрученные, похожие на штопор пучки волокон. Эти пучки образуют структуру Булиганда, многослойное расположение, в котором каждый слой постепенно поворачивается относительно своих соседей.

В то время как узор "елочка" защищает клюшку от переломов, расположение штопора определяет, как волны напряжения распространяются по конструкции. Эта сложная конструкция действует как фононный экран, избирательно фильтрующий высокочастотные волны напряжения, чтобы предотвратить распространение разрушительных вибраций обратно на руку и тело креветки.

"Периодическая область играет решающую роль в выборочной фильтрации высокочастотных сдвиговых волн, которые особенно вредны для биологических тканей", - сказал Эспиноса. "Это эффективно защищает креветок от разрушительных волн напряжения, вызванных прямым ударом и разрушением пузырьков".

В этом исследовании исследователи проанализировали 2D-моделирование поведения волн. Эспиноса сказал, что для полного понимания сложной структуры клуба необходимо 3D-моделирование.

"Будущие исследования должны быть сосредоточены на более сложном 3D-моделировании, чтобы полностью отразить, как структура клуба взаимодействует с ударными волнами", - сказал Эспиноса. "Кроме того, разработка экспериментов в воде с использованием самых современных приборов позволила бы нам исследовать, как функционируют фононные свойства в условиях погружения".

Исследование "Обладает ли креветка-богомол фононным экраном?" был поддержан Управлением научных исследований ВВС, Управлением военно-морских исследований и Национальным научным фондом.