Исследование, опубликованное 7 февраля в журнале Science, приоткрыло механизм, позволяющий этим маленьким ярким хищникам наносить сокрушительные удары, не повреждая собственное тело. В научной статье под названием "How mantis shrimp protect their powerful 'fists' of fury" рассказывается, что ключ к их выживанию кроется в сложной многослойной структуре на боевых придатках, которая отфильтровывает часть разрушительных вибраций при ударе. Соавтор работы, инженер из Северо-Западного университета Хоасио Д. Эспиноса, подчеркивает, что открытие может помочь создать новые материалы с подобными шумоподавляющими свойствами.
Эти креветки-богомолы — удивительные представители ракообразных, насчитывающие более 400 видов. Они обитают в прибрежных тропических водах по всему миру, достигают обычно 4–7 дюймов в длину, хотя встречаются и экземпляры до 15 дюймов. Их зрение считается одним из самых сложных в животном мире, а скорость удара нередко превышает 50 миль в час. По силе такой "выстрел" сопоставим с пулей калибра 0,22, что объясняет способность креветок-богомолов повреждать стекло и панцири жертв.
На каждой стороне тела у креветок-богомолов расположена молоткообразная "дубинка" (дактильная булава), которая хранит упругую энергию в эластичных структурах, удерживаемых специальными сухожильными замками. В момент высвобождения эта энергия трансформируется в мощный удар, сопровождаемый ударными волнами и пузырьками кавитации. Когда пузырьки схлопываются, возникает дополнительный импульс, усиливающий разрушительную силу. Наблюдения суперскоростных камер подтвердили "пулевую" стремительность таких ударов.
Главный вопрос исследования заключался в том, как мельчайшие ткани креветок-богомолов остаются нетронутыми при столь колоссальной нагрузке. Ученые выяснили, что наружный "ударный" слой состоит из минерализованных волокон, уложенных в особый "ёлочный" (herringbone) узор, а под ним располагается периодическая область с закрученными волокнами по схеме "Bouligand". В похожих формах эта структура встречается и у других ракообразных, например у омаров. В совокупности эти слои транслируют волны таким образом, что высокочастотные колебания не проникают в уязвимые части тела.
Исследователи применили для анализа два продвинутых метода: Transient Grating Spectroscopy, позволяющий отслеживать распространение механического напряжения с помощью лазерного воздействия, и Picosecond Laser Ultrasonics, использующий сверхкороткие лазерные импульсы для изучения микроскопических свойств брони. По словам Эспиносы, "это надежно защищает креветку-богомола от вредных ударных волн, возникающих при прямом столкновении и схлопывании пузырей".
В будущем ученые планируют перейти от вычислительных 2D-моделей к более реалистичным 3D-симуляциям, которые должны точнее описать поведение ударных волн и сложную геометрию брони. Дополнительные эксперименты в водной среде помогут исследовать уникальные фоноптические свойства дактильных булав креветок-богомолов и проверить, какие еще факторы влияют на их выносливость при столь мощном ударе.
Сфера применения данных результатов включает перспективные защитные материалы для спорта и военных технологий, способные фильтровать нежелательные звуковые колебания и смягчать взрывные нагрузки. Подобные разработки могут снизить риск травм, связанных с ударными волнами и резким перепадом давления, что делает опыт креветок-богомолов ценным примером для будущих исследований в области биомиметики.
Изображение носит иллюстративный характер
Эти креветки-богомолы — удивительные представители ракообразных, насчитывающие более 400 видов. Они обитают в прибрежных тропических водах по всему миру, достигают обычно 4–7 дюймов в длину, хотя встречаются и экземпляры до 15 дюймов. Их зрение считается одним из самых сложных в животном мире, а скорость удара нередко превышает 50 миль в час. По силе такой "выстрел" сопоставим с пулей калибра 0,22, что объясняет способность креветок-богомолов повреждать стекло и панцири жертв.
На каждой стороне тела у креветок-богомолов расположена молоткообразная "дубинка" (дактильная булава), которая хранит упругую энергию в эластичных структурах, удерживаемых специальными сухожильными замками. В момент высвобождения эта энергия трансформируется в мощный удар, сопровождаемый ударными волнами и пузырьками кавитации. Когда пузырьки схлопываются, возникает дополнительный импульс, усиливающий разрушительную силу. Наблюдения суперскоростных камер подтвердили "пулевую" стремительность таких ударов.
Главный вопрос исследования заключался в том, как мельчайшие ткани креветок-богомолов остаются нетронутыми при столь колоссальной нагрузке. Ученые выяснили, что наружный "ударный" слой состоит из минерализованных волокон, уложенных в особый "ёлочный" (herringbone) узор, а под ним располагается периодическая область с закрученными волокнами по схеме "Bouligand". В похожих формах эта структура встречается и у других ракообразных, например у омаров. В совокупности эти слои транслируют волны таким образом, что высокочастотные колебания не проникают в уязвимые части тела.
Исследователи применили для анализа два продвинутых метода: Transient Grating Spectroscopy, позволяющий отслеживать распространение механического напряжения с помощью лазерного воздействия, и Picosecond Laser Ultrasonics, использующий сверхкороткие лазерные импульсы для изучения микроскопических свойств брони. По словам Эспиносы, "это надежно защищает креветку-богомола от вредных ударных волн, возникающих при прямом столкновении и схлопывании пузырей".
В будущем ученые планируют перейти от вычислительных 2D-моделей к более реалистичным 3D-симуляциям, которые должны точнее описать поведение ударных волн и сложную геометрию брони. Дополнительные эксперименты в водной среде помогут исследовать уникальные фоноптические свойства дактильных булав креветок-богомолов и проверить, какие еще факторы влияют на их выносливость при столь мощном ударе.
Сфера применения данных результатов включает перспективные защитные материалы для спорта и военных технологий, способные фильтровать нежелательные звуковые колебания и смягчать взрывные нагрузки. Подобные разработки могут снизить риск травм, связанных с ударными волнами и резким перепадом давления, что делает опыт креветок-богомолов ценным примером для будущих исследований в области биомиметики.
