辟謠:螳螂蝦的鐵拳「能擊碎所有的甲殼」?不,它擊不穿自己的鎧甲!

花樱 2022/07/15 檢舉 我要評論

雀尾螳螂蝦,甲殼界的顏值擔當,一身鎧甲像孔雀羽毛一樣鮮艷,集全了藍、綠、紅、黃的亮麗顏色。

高顏值的螳螂蝦是海族館的收羅對象,把它放到觀賞魚缸里,色彩明艷很是吸睛。但可惜完全可以靠顏值吃飯的螳螂蝦,根本沒有做花瓶的覺悟,它會一拳擊碎 6mm的玻璃,逃出玻璃缸。不屑于仰仗顏值吃飯,螳螂蝦憑借自己的一雙鐵拳打拼天下。螃蟹、蛤蜊、海螺,裝備再厚實的背殼都沒用,所有的硬殼螳螂蝦都能給你敲開。在它生活的淺海巖石區,還沒有螳螂蝦吃不到的食物。

擊碎玻璃和硬殼的鐵拳有多厲害? 螳螂蝦出拳的最大加速度能達到104公里/秒2速度達到110公里/小時,以72公斤的力量擊打獵物硬殼。威力相當于射出一枚 0.22口徑子彈(小口徑手槍)。

螳螂蝦是動物界里最快的拳擊手,爆擊的力量輕易就能打碎其他甲殼動物的防御鎧甲。那麼它在海域是不是無敵了,沒有誰能抵抗住它的拳擊? 不,它身邊就有勢均力敵的對手,能跟螳螂蝦抗衡的是另一只螳螂蝦。

螳螂蝦不僅有一雙最快的拳頭,還有一身最強的鎧甲。兩只螳螂蝦對峙,拳頭奈何不了鎧甲。以子之矛,攻子之盾,螳螂蝦的盾毫不遜色于它的矛, 它的鐵拳和鎧甲,比飛機外殼更耐沖擊,比防彈衣料更為堅韌。

螳螂蝦的鐵拳

螳螂蝦不是蝦,是蝦蛄,也就是我們熟悉的皮皮蝦。生活在淺海的巖石底和洞穴中的螳螂蝦,共有 500種。捕魚吃肉的螳螂蝦,武器長在掠足(第二對顎足)的前端,像螳螂一樣,平時把鋤刀樣的掠足折疊在胸前,攻擊時彈出。 它的掠足分兩種,一種掠足前端像根長矛,用來穿刺魚肉。另一種掠足前端像對棒槌,用來擊碎硬殼。在族群中,穿刺型選手的數量要比重擊型(也叫粉碎型)選手的數量多。

上圖可以看清楚雀尾螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus)掠足上的一對棒槌拳頭,它也是族群中出拳最快的拳擊手。雀尾螳螂蝦的個頭很小,只比手指頭稍長一點兒,平均身長 6~12厘米

個頭小的螳螂蝦脾氣可不小,一言不合就拎起鐵拳砸你。不要小瞧了拳擊手, 螳螂蝦出拳并不是一味地依靠蠻力,它不僅會積蓄能量,還會引爆水波,給自己的重擊疊加上多層次的力量。

螳螂蝦的掠足很有彈性,能像彈簧一樣積蓄力量。上圖中的桔色箭頭標示出它積攢力量的彈簧區域,收縮腿部肌肉,壓縮彈簧,壓到極點后瞬間釋放出擊。積蓄力量爆發的攻擊速度遠遠超過只靠肌肉驅動的速度。 彈簧腿蓄能用時700微秒,而釋放只需要2微秒,能釋放出超過自身重量1000倍以上的力量。

瞬間爆發的力量還不夠,螳螂蝦還會借助水的威力。 當螳螂蝦的棒槌加速出擊時,帶動水流,掠足周圍的水流突然加速,局部壓力急劇下降,溶解在水里的氣體溢出,水流中出現了氣泡。水流攜帶氣泡擊打在獵物身上,水泡瞬間爆破,給獵物增加了更大的沖擊力, 水爆力量比拳擊力量還要強,有時能達到拳擊力的兩倍以上

因為水壓突降,水流中出現氣體的現象叫做 空蝕現象。空蝕就像水突然沸騰,產生氣泡,只不過水的沸騰不是因為加熱,而是因為壓力下降造成的。瞬間空蝕的力量很大,輪船的不銹鋼螺旋槳經常會被空蝕氣體撞擊出凹坑。

棒槌加上空蝕的雙重爆擊,別說血肉之軀的魚兒了,就連厚實的甲殼類生物都受不了。橫著走的螃蟹,一下子就被擊斷蟹鉗。合上貝殼便覺得天下太平的牡蠣,一下子就被擊碎硬殼。[頭條-法蘭西is培根-未經授權請勿轉載其他平台]

鐵拳的秘密

鐵拳是螳螂蝦獲取獵物的武器,它每天出拳多次,總計敲擊 50000次棒槌拳頭后,才會蛻殼換一副新拳。試想一下,你的拳頭以擊碎窗戶玻璃的力量擊打堅硬物體,承受 50000次重擊后,你的拳頭會不會裂,胳膊會不會折?肯定會,你的骨頭經不住多次高速重擊,但是螳螂蝦卻可以。

螳螂蝦出拳重擊時,鐵拳不裂,掠足不折的秘密在于,外骨骼材料的排列組合方式有玄機。

螳螂蝦比鋼鐵還硬的鐵拳,材質卻很普通,大部分是幾丁質,跟它身上甲殼的材料一樣。幾丁質((C8H13O5N)n ),一種高分子多糖,是甲殼類動物和昆蟲的外殼材料。幾丁質組成支撐身體的外骨骼,在自然界中廣泛存在。

鐵拳分內、外兩部分, 外部是撞擊區,內部分為螺旋區和橫紋區。內外部分的材質跟其他動物的甲殼一樣,但它們的排列方式卻不同。

外部撞擊區

鐵拳的外部是直接捶打獵物的撞擊區,裝配了抗裂涂層。涂層材料由普通的磷酸鈣包裹住幾丁質,以特殊結構排列,被壓得非常密實, 硬度超過其他動物的甲殼

上圖是高倍顯微鏡下撞擊區的細節,可以看到密實的人字形花紋 ,正是這種新穎的人字形花紋增加了鐵拳的硬度。幾丁質與磷酸鈣組合形成人字形排序結構,第一次在自然界中發現。

人字形結構的外層既能保護掠足重擊時不受傷,又能把力量轉移到獵物身上,加重拳擊威力。

內部螺旋區

鐵拳內部的螺旋區,幾丁質纖維像螺旋樓梯一樣,旋轉排列。

上圖是螺旋區,幾丁質纖維層,每一層排列時,比下一層旋轉了一個角度,一層層像扭麻花一樣疊加堆高,最終完成 180度的旋轉。 螺旋結構能過濾特定頻率的沖擊波,消除剪切波對掠足的沖擊,相當于一個減震器,有效保護鐵拳。

內部橫紋區

上圖是橫紋區細節, 平行的纖維纏繞在鐵拳周圍,當鐵拳被撞擊時,能阻止鐵拳膨脹。你看拳擊手在戴拳擊手套之前,會在手上纏上一圈布帶,橫紋的作用跟布帶的作用一樣,束縛住骨頭,防止開裂。

外層堅硬抗擊打,內層卸壓防龜裂。普通材質的鐵拳,只要改變一下排列秩序,就能擊穿硬甲和玻璃。

螳螂蝦的鎧甲

與鐵拳相匹配的,是螳螂蝦的鎧甲。

生活在珊瑚礁叢的螳螂蝦,為了爭奪一個洞穴,經常舉起鐵拳比試一番。同伙之間拼搶的是地盤,并沒有生死之仇,所以它倆的比試不會傷及要害部位。兩只螳螂蝦只比力氣,力氣大的說話,力氣小的讓位。比試力氣時,一只螳螂蝦屈背弓腰,另一只掄起拳頭重擊它的尾甲。 所向披靡的鐵拳,只能讓同伴感受到力量,卻捶不穿它的尾甲

鐵拳擊不碎的尾巴,像一個盾牌,抵擋外力。盾牌外部有一道道向外凸出彎曲的棱脊,內部是跟鐵拳一樣的螺旋結構。外凸的棱能消減沖擊力量,內旋的扭曲結構增加鎧甲的韌性。

上圖是加州大學和普渡大學聯合團隊做的3D模擬圖,分析螳螂蝦尾部盾牌的受力情況。團隊發現外部突脊加上內部螺旋,在受到沖擊時不僅能吸收大部分的動能,還能阻止外殼上裂紋的擴展。彈性鎧甲除了抗壓外,還能向內彎曲卸力,有效保護內部肉體不受傷害。

一句話,螳螂蝦的鎧甲比其他動物的甲殼, 強度更高,彈性更好,更耐沖擊

螳螂蝦帶來的啟發

為什麼要研究螳螂蝦? 為了制造出像螳螂蝦鎧甲一樣強大的保護材料。又輕又硬,還能減震抗壓的材料,用途非常廣泛,既能做安全頭盔,又能做防彈衣料。

螳螂蝦帶給團隊最大的震撼是:不用費心去找新材料,改變普通材料的排列秩序,就能成倍提高性能。人字形花紋增加強度,螺旋排列增加韌性。

團隊用碳纖維環氧復合材料,分不同角度交錯疊加,壓制成新材料。 相比于普通的炭纖維,螺旋結構的新材料抗沖擊性能提高20%以上。

重量輕,強度高,耐沖擊的新型炭纖維材料,除了做頭盔防彈衣外,還可以替換金屬材料制造飛機機身,重量更輕的機身,能節約更多的燃料。

自然界一直在引領我們前進,每條生命都有人類比不上的天賦。每次解開自然界的一個秘密,我們就學會一樣新本領。探索沒有盡頭,學習永無止境。


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