螳螂蝦如何在不傷害自身的情況下發出致命一擊

螳螂蝦以其用來擊敗獵物的超快、強力拳擊而聞名。它們能夠連續發出震碎獵物外殼的攻擊，而自身的神經或肌肉卻不會受到重大傷害。研究人員於2月7日的《科學》期刊中報告，這是因為它們類似棍棒的前肢外骨骼，能夠過濾掉攻擊所產生的最具破壞性的壓力波。

孔雀螳螂蝦（Odontodactylus scyllarus）雖小到可以放在手中，但它們攻擊速度極快，能夠產生內爆氣泡。衝擊和內爆共同作用，所產生的力量可超過螳螂蝦體重的1000倍。然而，這些掠食者能夠反覆釋放這種力量，而不會傷害到自己或折斷它們的「棍棒」。

科學家們曾認為，這種韌性可能直接來自於「棍棒」外殼的結構。在那裡，礦化的幾丁質層（幾丁質是一種由長鏈糖組成的物質，是節肢動物外骨骼的主要成分）位於更深層的幾丁質束堆疊之上。這些更深層的層次相對於上下層略有旋轉，就像一疊被扭轉過的紙張，形成了一種稱為布利岡結構（Bouligand structure）的螺旋狀形態。

有人懷疑這種設計可能起到某種盾牌的作用，能夠控制高能波在其中的傳播方式。但此前尚未經過全面的實驗驗證。新加坡南洋理工大學的材料科學家和工程師霍滕斯·勒·費朗（Hortense Le Ferrand）未參與該研究，她表示：「這主要是理論計算。」她還提到，一些生物工程師指出「實際上並沒有任何證據……存在很多質疑」。

因此，美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的工程師霍拉西奧·埃斯皮諾薩（Horacio Espinosa）及其同事在實驗室中系統地測試了這一想法。為了模擬螳螂蝦所經歷的壓力波，研究人員向塗有鋁層的「棍棒」外骨骼橫截面發射雷射脈衝，使其受熱並迅速膨脹。然後，他們測量了由這種膨脹產生的高能波在材料中的傳播情況。

實驗表明，礦化的外層能夠控制因攻擊衝擊而產生的微小裂縫的擴散，而更深層的螺旋狀層則可以消散或中和最高能量的波。埃斯皮諾薩說，這「可以防止剪下波對『棍棒』內部的軟組織造成損傷」。

「棍棒」內部的螺旋狀結構似乎是一種用於控制聲波傳播的工程材料的天然版本。義大利都靈理工大學的物理學家費德里科·博西亞（Federico Bosia）表示，這種材料傳統上被認為是人造的。他還指出：「越來越多的證據表明，它們也自然存在於生物系統中，這些系統透過進化發展出了控制波和振動的能力。」例如，一些蛾類的翅膀鱗片也具有減弱波的特性，能夠吸收聲波，作為一種對抗蝙蝠捕食者回聲定位的聲學偽裝。

埃斯皮諾薩表示，這種外骨骼結構可以為抗衝擊盔甲、保護塗層和航空航天結構等材料提供靈感。加州大學歐文分校的材料科學家大衛·基賽盧斯（David Kisailus）已經在開發螳螂蝦「棍棒」內部螺旋結構的應用，利用這種設計來增強飛機機翼、風力渦輪機葉片和曲棍球棒的韌性。基賽盧斯還研究其他有潛力啟發高效能材料的物種，他認為新的發現只是冰山一角。他說：「有數百萬種物種必須適應不斷變化的環境，我知道自然界無數的生物中還有許多藍圖等待被揭示。」