出拳速度堪比子弹，为什么螳螂虾的拳头不会碎掉

螳螂虾如今已经成为一款热议生物。它的“走红”不仅依赖于它华丽的外貌 —— 螳螂虾的外壳色彩斑斓，外观在甲壳动物中十分抢眼；同时，它那强劲的力量和绝佳的战斗能力也为其增添了不少热度：螳螂虾的“拳头”轻松打破螃蟹和牡蛎的坚硬外壳，甚至能够砸碎水族馆的玻璃。根据物理学原理，螳螂虾在施力的同时也会承受巨大的反作用力。那么，作为海洋中无敌的“拳王”，它们是如何保护自己避免受伤的呢？

螳螂虾自带强大的“生物武器”—— 其独特的掠足，形态如同紧握的拳头。让人惊叹的是，当它用这对“拳头”击溃猎物时，自身却毫发无损。

螳螂虾攻击的过程令人叹为观止。其攻击速度能与 .22 口径子弹相媲美（约 1316 公里 / 小时），在动物界中也名列前茅。当“拳头”在水中迅速挥动并撞击目标时，会形成瞬时低压区并通过空化作用产生气泡，气泡爆裂时会产生数百兆赫赫的高频冲击波，这一过程释放的光热极端，以至于击打周围的水面温度几乎可以达到太阳表面的热度，甚至可能伴随瞬间闪光。螳螂虾施力时产生的力量可超过其自身体重的一千倍，通常情况下，这么大的能量会产生反作用，导致动物的软组织受损，但螳螂虾却丝毫无恙。如今，我们终于解开了这个谜底。

美国西北大学的研究团队在分析螳螂虾掠足时发现，这些掠足具有分级微结构，可以有效阻挡声波，保护虾体免受震动伤害。这类分级微结构中包含“声子带隙”，它们能过滤掉可能导致神经和软组织损伤的声波。

最近，研究者在《科学》期刊上发表了一项研究，提出：“这些特定区域的声子带隙机制构成了一个协同保护系统，能够经受高强度的反复冲击而不造成实质性损伤。”

外表坚固，内在藏奥秘

螳螂虾其实既不是螳螂，也不是虾，而属于一种口足目动物。这种掠食性海洋甲壳类动物在约 4 亿年前首次出现，以软体动物、鱼类、刺丝胞动物及其他甲壳类生物为食。它们的捕猎本领极为强大，例如，雀尾螳螂虾（Odontodactylus scyllarus）在其栖息的热带浅滩中是最“凶猛”的捕食者之一。

美国西北大学的研究团队仔细分析了一只孔雀螳螂虾标本的掠足，发现在其构造中存在三层声子防御结构。声子是固体物质中由原子周期性振动产生的能量单元。这些声子结构就像螳螂虾的“护身符”，调节着声波传播的特性。

在深度剖析螳螂虾掠足时，研究者发现其表面覆盖有羟基磷灰石（这一物质在人体中同样存在，使牙齿与骨骼具备坚硬的特性）。羟基磷灰石涂层之下，称为“冲击区”（impact region）的层次由人字形排列的甲壳素层构成（甲壳素是一种坚硬的多糖物质，正是它构成了甲壳类生物的外壳）。研究人员推测，这种特殊设计的甲壳素能够有效分散可能引发裂纹的声波。

在甲壳素层下，还有一层被称为“循环排列区域”（periodic region），其中充满了多层甲壳素“弹簧”。螳螂虾在击出“拳头”时，通过肌肉控制将其收起，然后向前发力，释放储存在“弹簧”中的能量以打碎猎物的外壳。这些“弹簧”由螺旋排列的甲壳素纳米纤维组成，卷曲的结构像极了真实的弹簧。这样的设计不仅调节声波的传播路径、防止结构损坏，还能保护内部的神经和软组织免受高频振动的伤害。其原因在于循环排列区域的螺旋形纤维排列能产生声子剪切波带隙，使其能够选择性过滤由纳秒级空化泡坍塌产生的低频剪切波，保护软组织不受损伤。

观察武林高手如何“化劲儿”

螳螂虾拥有惊人的攻击能力，但这也意味着要缓冲自身体产生的巨大冲击。如同传说中擅长“化劲儿”的武林隐士，螳螂虾能够借助其独特的结构，巧妙地消散可能对其有害的冲击波。这一能力也给人类带来深入的思考。

为了研究螳螂虾掠足的承受极限，科学家对活体螳螂虾进行了实验：模拟其在海洋中击碎壳体的场景，检测螳螂虾的攻击力对压电传感器的影响。此外，研究者通过超声波和高频激光照射螳螂虾掠足样本，研究其抵抗声波的能力。

通过追踪声波在掠足表面的传播路径，研究人员识别出最有效的波消散区域。结果表明：第二层“冲击区”承受了最高的应力，而循环排列区域的保护效果也非常接近。两者的协同作用使掠足几乎完全减轻了其自产生的应力。

螳螂虾的这种防护结构在自然界中非常罕见。先前的研究表明，某些飞蛾翅膀的鳞片能够吸收蝙蝠的捕食声波，从而避免被发现。对螳螂虾掠足结构的剖析，为我们理解自然界中的天然结构如何消解高频能量提供了新视角。

研究小组指出，螳螂虾以其卓越的抗冲击特性，长期以来被视为生物工程的范例。理解螳螂虾是如何抵挡极端冲击的可能会激发新的技术发展，其掠足的研究有望影响未来军事防护装备与运动护具的设计。“螳螂虾的冲击过程包含超声波成分，这促使我们以超声波过滤作为关键防护机制进行仿生设计。”研究团队在研究中提到。

或许在不远的将来，你所佩戴的一款新型自行车头盔，就是基于这种体长仅 7 英寸却能在极高压力下“不屈不挠”的生物启发而生。

作者：Elizabeth Rayne

翻译：鹭椋羽

审核：7号机

原文链接：The seemingly indestructible fists of the mantis shrimp can take a punch

本文摘自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Elizabeth Rayne

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