螳螂虾鞍的生物力学策画:一种用于敏捷猛禽攻击的生物惯性弹簧

  口足类动物用它们强大的“指爪”发动了动物王国中最快的攻击之一。“这种运动学性能是通过功率放大装置实现的,弹性能量存储在鞍形矿化双层结构中。我们将一套综合的微机械测量与有限元建模(FEM)相结合,定量地阐明鞍状生物力学设计。动态纳米尺度试验表明,高矿化层的粘弹性耗散最小,而微型悬臂梁的微弯曲试验则突出了双层布置在优化弹性能量存储中的关键作用。有限元分析结果表明,马鞍形状可以防止应力集中,在加载过程中应力保持在弹性范围内,中性表面与双层界面重合,防止界面分层。该研究揭示了马鞍的多尺度设计背后的耐人寻味的能力,储存高密度的弹性能量使用刚性但本质上脆的材料。

  在许多生物系统中,快速运动学运动是关键的进化特征,尤其是用于逃跑或捕食策略。从小昆虫,如跳颚蚂蚁迅速关闭它的下颚推进身体(Patek等人,2006年

  ),大自然已经进化出各种超快运动。近年来备受关注的一个突出例子是口足类动物(通常称为螳螂虾)dactyl俱乐部(Patek et al., 2004)的强力攻击

  (图1)口足类动物是侵略性的甲壳类动物,它们将它们的二指肢棒作为超快的锤状武器,以高达每秒23米的速度攻击猎物(Patek et al., 2004)

  仅靠肌肉不足以提供打击过程中所需的输入能量。因此,口足动物进化出了一种鞍形弹簧,作为功率放大系统(deVries et al., 2012)

  )(图1A及1B)输入的能量来自于肌肉和结缔组织,这些肌肉和结缔组织以一种准静态机制缓慢而弹性地加载鞍形弹簧(准静态机制),弹性储存能量的释放在打击过程中为dactyl俱乐部提供加速和动力(图1C) (Patek et al., 2007)

  )。理想的弹簧应该是刚性和可扩展的,以最大限度地存储弹性能量,但这带来了固有的材料限制,因为从断裂力学的角度来看,这些特性通常是相互排斥的(Ritchie, 2011)

  )。在最近的一项研究中,我们发现,为了克服这一限制,口足类动物已经在中尺度上进化出了它们的鞍状结构,它是由微尺度上的多相生物复合材料构成的,每一层中有机/无机比例都得到了优化(图1D和1E)。外层在加载过程中受到压应力,是高度矿化的,而内层是持续拉伸应力,含有较高的生物多晶硅相(Tadayon et al., 2015)

  )。我们假设这种设计允许弹性能量的最佳存储,同时防止脆性破坏。实际上,受拉伸应力作用的层主要由抗张拉生物聚合物组成,而强矿化层主要受压应力作用,因此原则上防止过早断裂,因为矿物(包括生物矿物)在压缩时的脆性要小得多(Meyers et al., 2006)

  然而,对鞍座力学设计的定量分析还很缺乏,空间相位分布和双层结构如何在连续介质水平上转化为宏观响应还不清楚。此外,还有待于建立双层结构以最小的粘弹性耗散来最大限度地储存弹性能量的实验结论。在这项研究中,我们试图从实验和数值上回答这些基本问题。我们设计了特定的微、纳米力学实验,提取各层的弹塑性特性和粘弹性耗散,生物多晶硅相的拉伸曲线,以及其弯曲响应

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