蝦蛄的「聲波盾牌」：自然界最強拳擊手的秘密武器

蝦蛄（Mantis shrimp）以其驚人的拳擊力量聞名，科學家們最近終於揭開了牠們如何在不自傷的情況下施展如此強大攻擊的秘密。原來，這些小生物擁有一種特殊的「聲波盾牌」，能夠吸收並過濾掉自身攻擊產生的破壞性震波，讓牠們在擊碎獵物外殼的同時，保護自己不受傷害。

孔雀蝦蛄（Odontodactylus scyllarus）的拳擊力量堪稱動物界之最，牠們使用錘狀的拳頭（稱為dactyl clubs）來擊碎獵物的外殼。這種攻擊的力量甚至足以打破水族箱的玻璃，相當於一顆.22口徑子彈的威力。然而，如此高強度的攻擊也會產生巨大的震波，科學家們一直困惑於蝦蛄如何承受這些震波而不受傷。

在2月6日發表於《科學》期刊的新研究中，研究人員仔細分析了蝦蛄拳頭的結構。他們發現，這些拳頭的微觀結構具有天然的減震功能，能夠有效限制震波造成的損害。研究共同作者、西北大學機械工程與生物醫學工程教授Horacio Dante Espinosa表示：「我們發現蝦蛄利用聲波機制——一種能夠選擇性過濾應力波的結構——來保護自己。這使得蝦蛄能夠在多次攻擊中保持拳擊能力，並避免軟組織受損。」

根據2004年的一項研究，孔雀蝦蛄的拳頭以每秒75英尺（23米）的速度出擊，比眨眼的速度快50倍。雖然這種極高的速度有助於產生強大的攻擊力，但也會產生危險的震波。Espinosa解釋道：「這種攻擊速度極快，會產生空化氣泡，當這些氣泡破裂時，會產生額外的震波，形成雙重衝擊。」

先前的研究曾推測，蝦蛄拳頭的微觀結構有助於保護牠們免受這些震波的傷害。在這項新研究中，科學家們使用先進的雷射技術來分析不同波長的聲波如何透過孔雀蝦蛄的拳頭。研究結果揭示了兩個關鍵區域：衝擊區和週期區。衝擊區由一層以人字形排列的幾丁質纖維組成，能夠增強拳頭的抗裂能力。而週期區則由扭曲的幾丁質纖維層組成，這種螺旋結構被稱為Bouligand結構，常見於魚鱗和龍蝦的外骨骼中，具有極高的強度和抗裂性。

雷射測試顯示，聲波透過衝擊區時保持不變，但在透過週期區時速度會發生變化，這表明週期區能夠分散高頻波，從而降低其強度。研究人員還發現，週期區能夠過濾掉高頻震波，這些震波可能對組織造成嚴重損害。Espinosa指出：「我們將這種高頻波與氣泡破裂時產生的頻率聯絡起來。」

週期區的纖維束就像一個「聲波盾牌」，能夠主動阻擋、重定向和散射震波，最終防止任何有害的震波有效透過這一層。這使得蝦蛄的脆弱組織能夠免受空化氣泡產生的震波傷害。Espinosa總結道：「這項研究提供了實驗證據，證明蝦蛄拳頭的Bouligand結構作為一種聲波盾牌，能夠選擇性過濾攻擊期間產生的高頻剪下波。這些特性有助於保護蝦蛄的拳頭免受損害，使其成為一種天然最佳化的抗衝擊結構。」

根據新聞稿，這項研究可應用於開發用於防護裝備的聲波過濾材料，並為減少軍事和高強度運動中的爆炸相關傷害提供新的思路。