Исследователи в Сингапуре теперь могут объяснить, что дает креветкам-богомолам, морскому ракообразному, который охотится на добычу своими булавовидными отростками, самый мощный удар в царстве животных. Структура в форме седла в конечностях креветки богомола, которая действует как пружина для хранения и последующего высвобождения энергии, состоит из двух слоев, сделанных из разных материалов.

Измерение микромеханических слоев

Измерение состава и микромеханических свойств слоев, которые в основном являются биокерамическими, позволили исследователям смоделировать, как седло хранит такое большое количество упругой энергии без разрушения. Природа разработала очень умный дизайн в этом седле. Если бы он был сделан из одного однородного материала, он был бы очень хрупким. Он наверняка сломался бы. Предыдущее исследование изучало дактильные булавы креветок-богомолов - придатки, которые они используют для нападения на свою жертву - и предположило, что одни мышцы не могут создавать силу, с которой ударяются ракообразные. Другие исследования выдвинули гипотезу, что седло может использоваться для хранения упругой энергии, но изучение структуры и механических свойств седла было сложной задачей. «Движение настолько быстрое, что люди не смогли сосредоточиться только на самом седле, поэтому нам нужно было изучить его с помощью компьютерного моделирования», - говорят исследователи.

Анализ состава седла

Команда ученых проанализировала состав седла, выполнив микроизмерения механических свойств материалов, чтобы разработать имитацию удара креветки богомола. Исследователи обнаружили, что верхний слой седла состоит в основном из относительно хрупкой биокерамики, похожей на зуб или кость, в то время как нижняя сторона содержит высокое содержание биополимеров. Когда мышцы и соединительные ткани богомола загружают энергию в седло, верхний слой сжимается, а нижний слой растягивается, а это означает, что каждый слой находится под воздействием сил, которые он лучше всего может выдержать. Если бы вы попросили инженера-механика создать пружину, которая может хранить много упругой энергии, они бы не подумали об использовании керамики. Керамика может накапливать энергию, если вы можете ее деформировать. Она более жесткая, чем металл или любой другой полимер, так что вы можете хранить больше энергии, чем с этими материалами.

Исследователи также провели серию экспериментов с использованием небольших полос реальных седловых структур, которые они разрезали мощным пикосекундным лазерным лучом. Они проанализировали, как распределялись силы, когда полоски были согнуты так, как они находятся в креветках богомола, и когда они были согнуты неправильно. Когда они были согнуты неправильно, когда биополимеры были сжаты, а биокерамика растянута, полоски были менее способны выдерживать сильные нагрузки, вероятно, из-за крошечных трещин в керамическом слое. Ученые продолжают изучать структуру седла богомола.