Vật liệu Sáng Tạo Tạo Cho Tôm Tít Mantis Sức Mạnh Mạnh Mẽ

Hãy tưởng tượng một chút rằng bạn là một con cua, và một loại giun biển gọi là tôm tit mantis đã quyết định biến bạn thành bữa trưa của nó. Sự thật là, không đáng để bạn đấu tranh. Tôm tit mantis sử dụng cơ bắp để đặt lại hai cơ quan giống như búa dưới khuôn mặt của nó, lưu trữ năng lượng trong một khe như yên ngựa trong chi. Khi nó mở khóa, những cánh búa gia tốc rất nhanh và đập vào vỏ của bạn với sức mạnh tàn bạo đến mức tạo ra bong bóng hấp thụ trong nước, rồi sụp đổ và phát ra một sóng sốc thứ cấp khiến bạn bất tỉnh. (Nếu bạn đã quyết định đối đầu, tôm tit mantis sẽ thông thái phá hủy những chiếc càng của bạn trước, sau đó đấm bạn vào mặt cho đến khi bạn chết.)

Đó là nhiều điều cần phải giải mã, và không ai hiểu rõ hơn các nhà khoa học. Nhiều năm qua, họ đã sử dụng máy ảnh tốc độ cao để tìm hiểu cách một loài giun biển nhỏ có thể thực hiện có lẽ là cú đấm mạnh mẽ nhất so với trọng lượng trong vương quốc động vật - và trong sự cản trở lớn của nước, chưa kể. Một yếu tố chính, các nhà nghiên cứu báo cáo trong tạp chí iScience, không chỉ là hình dạng của chiếc yên lưu trữ năng lượng đó, mà còn là thành phần vật liệu khéo léo của nó. Bây giờ, công nghệ đã biến tôm tit mantis thành một trong những kẻ săn mồi hung dữ nhất dưới biển có thể được áp dụng vào robot - với hy vọng không phải là loại kẻ săn mồi hung dữ.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách nghiên cứu yên của tôm tit mantis (mà thực sự không phải là một loại tôm, by the way, mà là một stomatopod) bằng một kỹ thuật gọi là nanoindentation. “Đơn giản là, bạn có thể khám phá cơ học ở một tỷ lệ rất nhỏ,” như tác giả đồng tác giả Ali Miserez, một giáo sư nghiên cứu kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore. “Bạn sử dụng đầu kim kim cương và bạn đẩy vào vật liệu.”

Những gì Miserez và đồng nghiệp của ông phát hiện là phần bằng nhau kỳ lạ và tuyệt vời từ góc độ tiến hóa. Chiếc yên được tạo thành từ các lớp đỉnh và đáy khác nhau: Ở phía trên là một loại bioceramic, giống như cái bạn thấy trong cốc cà phê, trong khi ở phía dưới là một loại vật liệu co giãn gọi là biopolymer.

Khi bạn đang trong lĩnh vực kinh doanh đập mạnh, một loại gốm có lẽ không nằm trong tâm trí là vật liệu chắc chắn lựa chọn. “Chúng ta đều có ấn tượng rằng gốm là chất dễ vỡ,” Miserez nói. “Nếu tôi rơi cốc cà phê xuống sàn, nó có lẽ sẽ vỡ nát. Nhưng thực tế là nó dễ vỡ chủ yếu là ở trong tình trạng căng, khi bạn kéo nó. Nhưng nếu bạn nén một loại gốm, nó khá mạnh mẽ.”

Khi tôm tit mantis đặt năng lượng vào chiếc yên, cấu trúc này như xếp vào chính nó, làm nén lớp trên cùng của gốm và tận dụng các tính chất vật liệu của nó. Khi làm như vậy, lớp dưới cùng của biopolymer co giãn, tận dụng tài sản đặc biệt của vật liệu này. “Polymer có độ bền cao khi căng, giống như tơ lụa chẳng hạn, nhưng không bền khi nén,” Miserez nói. Vì vậy, mỗi vật liệu đều phù hợp một cách độc đáo, tùy thuộc vào vị trí của nó trên chiếc yên, để cung cấp sức mạnh để búa không gãy.

Để kiểm tra điều này thực nghiệm, các nhà nghiên cứu sử dụng một chiếc laser. Họ sử dụng một chiếc laser picosecond bắn liên tục, cắt ra các dải chính xác của vật liệu yên tôm tit mantis. “Nếu bạn bẻ mẫu này, và bạn có lớp trên cùng trong tình trạng nén và sau đó lớp dưới cùng trong tình trạng căng, giống như trong chiếc yên trong cú đánh thực tế, bạn có thể đạt được sức mạnh cao hơn nhiều,” Miserez nói. Lật mẫu ngược và bẻ nó lại, và nó sẽ hỏng. “Đó là bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng thực sự sắp xếp không gian này là quan trọng.”

Đó là một phần quan trọng của bức tranh đập mạnh của cú đánh tôm tit mantis. “Việc sử dụng việc lưu trữ năng lượng co giãn để thúc đẩy các chuyển động cực kỳ nhanh chóng đang không được hiểu đầy đủ, và nó chỉ mới được nghiên cứu chưa đầy,” nhà sinh học của Đại học Duke Sheila Patek, chuyên gia về tôm tit mantis nói. “Đây là một phần rất hay của một câu chuyện diễn ra trong tôm tit mantis, nhưng cũng cơ bản ở nhiều sinh vật nhỏ sử dụng vật liệu để thúc đẩy chuyển động.”

Vì vậy, kiến trap-jaw, ví dụ, đưa quai hàm của nó lại và bắn chúng với tốc độ 145 dặm mỗi giờ để đập vỡ kẻ thù và thậm chí tự nổ khỏi nguy hiểm bằng cách nhằm mặt vào mặt đất. Cua sấu cũng sử dụng một cơ chế khóa để bắn đạn từ bọng tay của nó. Tất cả đều ấn tượng về mặt hình ảnh, nhưng khó giải thích nếu bạn không nhìn vào các cấu trúc liên quan cùng với hình học và vật liệu của chúng.

Ngoài việc giúp mở rộng những bí mật sinh học thú vị, nghiên cứu này cũng có thể tìm ra ứng dụng trong ngành robot. Robot thông thường được làm từ kim loại, không phải gốm. Nhưng gốm thực sự cứng và nhẹ hơn so với kim loại, điều có thể hữu ích nếu chúng ta có thể cân bằng tính chất giòn của chúng. “Nếu bạn có một sắp xếp hai lớp, về nguyên tắc bạn có thể vượt qua tính giòn này,” Miserez nói. “Bạn có thể lưu trữ một lượng năng lượng lớn với chi phí trọng lượng thấp.”

Bạn biết đấy, cho những điều như nhảy. Không phải đánh cua (hoặc con người) vào mặt.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ Mytour

• Các chiếc chân bionics "học" cách mở bia
• Hiện tượng tuyệt vời tiếp theo (số hóa)
• Gặp vương của máy vô dụng trên YouTube
• Phần mềm độc hại có một cách mới để ẩn trên Mac của bạn
• Rắn chết: làm thế nào kiến biến thành xác sống chết
• Đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và đừng bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi