螳螂蝦鞍:的生物力學(xué)設(shè)計(jì)一種快速猛禽攻擊的生物慣性彈簧

口足類動(dòng)物用它們強(qiáng)大的“手指和爪子”發(fā)起了動(dòng)物界最快的攻擊之一?！斑@種運(yùn)動(dòng)學(xué)性能是通過(guò)功率放大器實(shí)現(xiàn)的，彈性能量?jī)?chǔ)存在鞍形礦化雙層結(jié)構(gòu)中。我們將一組全面的微觀力學(xué)測(cè)量與有限元建模(FEM)相結(jié)合，以定量闡明鞍座的生物力學(xué)設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)納米尺度試驗(yàn)表明，高礦化層的粘彈性耗散最小，而微懸臂梁的微彎曲試驗(yàn)則凸顯了雙層布置在優(yōu)化彈性儲(chǔ)能中的關(guān)鍵作用。有限元分析結(jié)果表明，鞍形可以防止應(yīng)力集中，加載時(shí)應(yīng)力保持在彈性范圍內(nèi)，中性面與雙層界面重合，從而防止界面脫層。這項(xiàng)研究揭示了馬鞍多尺度設(shè)計(jì)背后的迷人能力，使用剛性但本質(zhì)上易碎的材料來(lái)儲(chǔ)存高密度彈性能量。

在許多生物系統(tǒng)中，快速運(yùn)動(dòng)學(xué)是一個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)化特征，尤其是對(duì)于逃跑或捕食策略。從很小的時(shí)候起，昆蟲，如跳顎螞蟻，就會(huì)迅速合上它們的顎并推動(dòng)它們的身體(Patek等人，2006年

)，向鱷魚嘴強(qiáng)力攻擊(Eriksson等，2014

)捕捉昆蟲(Forterre等人，2005年)

)，大自然進(jìn)化出了各種超快運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)備受關(guān)注的一個(gè)突出例子是dactyl Club (Patek等人，2004年)對(duì)口足類動(dòng)物(俗稱螳螂蝦)的蠻力攻擊。

(圖1)口足類動(dòng)物是攻擊性甲殼類動(dòng)物。它們用自己的兩指肢棒作為超快速錘武器，以高達(dá)每秒23米的速度攻擊獵物(Patek等人，2004)。

)，這對(duì)軟件和硬件具有高負(fù)載影響。

圖1孔雀螳螂蝦的鞍狀結(jié)構(gòu)

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僅靠肌肉不足以提供擊球過(guò)程中所需的輸入能量。因此，opod發(fā)展了一種鞍形彈簧作為功率放大系統(tǒng)(deVries等人，2012年)。

和百達(dá)翡麗考德威爾，2005年。

Patek等人，2007年

)(圖1A和1B)輸入能量來(lái)自肌肉和結(jié)締組織，它們用準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)構(gòu)緩慢而彈性地加載鞍形彈簧(準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)構(gòu))，彈性儲(chǔ)存能量的釋放在擊打過(guò)程中為手指球桿提供加速度和動(dòng)力(圖1C) (Patek等人，2007)

)。理想的彈簧應(yīng)該是剛性和可膨脹的，以最大限度地儲(chǔ)存彈性能量，但這帶來(lái)了固有的材料限制，因?yàn)閺臄嗔蚜W(xué)的角度來(lái)看，這些特性通常是互斥的(Ritchie，2011)。

在草坪上，1993年

)。在最近的一項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)，為了克服這一限制，口足類動(dòng)物在中觀尺度上進(jìn)化出了它們的鞍形結(jié)構(gòu)，這些鞍形結(jié)構(gòu)在微觀尺度上由多相生物材料組成，并且每一層中的有機(jī)/無(wú)機(jī)比例都得到了優(yōu)化(圖1D和1E)。外層在加載過(guò)程中處于壓縮應(yīng)力下，這是高度礦化的，而內(nèi)層處于連續(xù)拉伸應(yīng)力下，這包含高生物多晶硅相(Tadayon等人，2015年)。

)。我們假設(shè)這種設(shè)計(jì)允許最好地儲(chǔ)存彈性能量，同時(shí)防止脆性破壞。實(shí)際上，受拉應(yīng)力的層主要由拉伸生物聚合物組成，而強(qiáng)礦化層主要受壓應(yīng)力，因此原則上防止過(guò)早斷裂，因?yàn)榈V物(包括生物礦物)在壓縮時(shí)脆性小得多(Meyers等人，2006)。

)。

然而，鞍形機(jī)械設(shè)計(jì)的定量分析仍然缺乏，空間相分布和雙層結(jié)構(gòu)如何在連續(xù)介質(zhì)層面轉(zhuǎn)化為宏觀響應(yīng)尚不清楚。此外，雙層結(jié)構(gòu)能夠以最小的粘彈性耗散最大限度地存儲(chǔ)彈性能量的實(shí)驗(yàn)結(jié)論仍有待建立。在這項(xiàng)研究中，我們?cè)噲D用實(shí)驗(yàn)和數(shù)字來(lái)回答這些基本問題。我們?cè)O(shè)計(jì)了具體的微納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)，提取各層的彈塑性特征和粘彈性耗散、生物多晶硅相的拉伸曲線及其彎曲響應(yīng)。

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