Их последнее исследование, которое будет опубликовано в журнале Advanced Materials, впервые описывает уникальную структуру «елочки», о которой ранее не сообщалось в природе, внутри внешнего слоя придатка. Именно эта жесткая структура в виде елочки не только защищает клюшку во время удара, но и позволяет креветкам-богомолам наносить невероятный урон своей добыче.Креветки-богомолы, также называемые ротоногими, бывают двух видов: «крушители» и «копьеносцы». В то время как копейщики убивают добычу, вонзая копье в мягкотелых морских существ, сокрушители убивают добычу с твердым панцирем, такую как крабов и улиток, измельчая их с невероятной скоростью и силой.
Дактильная дубинка может развивать ускорение до 10 000 g, создавая шквал ударов со скоростью пули 22 калибра.В течение последних восьми лет Дэвид Кисайлус, профессор энергетических инноваций инженерного колледжа Борнса Уинстона Чанга, и его команда изучали дактильные клубы крушителей и использовали их в качестве вдохновения при разработке композитных материалов следующего поколения. Их исследования уже претворяются в жизнь в реальных продуктах в Nature Inspired Industries, недавнем стартапе под руководством Кисайлуса, выросшем из Управления исследований и экономического развития Калифорнийского университета в Риверсайде.
В предыдущей работе, в том числе в исследовании 2012 года, опубликованном в журнале Science, исследователи определили несколько различных областей дактильного клуба, включая внутреннюю область, называемую периодической областью, с энергопоглощающей структурой, которая также отфильтровывает разрушительные поперечные волны. , которые перемещаются через объекты, когда они находятся в состоянии стресса. Эта энергопоглощающая «периодическая область» состоит из двух фаз: органической фазы, состоящей из хитина — соединения, содержащегося в панцирях насекомых и ракообразных, — имеющего спиралевидную структуру, напоминающую спиральную лестницу, и неорганической фазы, содержащей аморфный кальций. фосфат и карбонат кальция.
Текущее исследование, финансируемое Управлением научных исследований ВВС в рамках Мультиуниверситетской исследовательской инициативы стоимостью 7,5 млн долларов, которую возглавляет Кисайлус, впервые описывает уникальную структуру в виде елочки во внешнем слое дактильного клуба, называемую областью удара.Область удара представляет собой устойчивый к трещинам слой, который защищает клюшку, когда креветка-богомол бьет свою добычу.
Однако, в отличие от периодической области, область воздействия состоит из кристаллического фосфата кальция (того же минерала, который содержится в костях человека), окружающего органические хитиновые волокна. Исследователи обнаружили, что эти сильно минерализованные волокна были уплотнены, образуя «структуру в виде елочки», которая значительно жестче, чем структура в периодической области. Высокоупорядоченная уплотненная структура типа «елочка» представляет собой синусоидальную структуру с изменяемым шагом спирали хитиновых волокон, минерализованных высокотекстурированным фосфатом кальция.Эта уникальная структура в виде елочки не только защищает дубинку от разрушения, но также позволяет креветкам-богомолам наносить невероятный урон своей добыче, передавая больше импульса при ударе.
Хотя механизм формирования структуры типа «елочка» еще не подтвержден, Кисайлус предполагает, что разница в напряжениях во время образования кристаллического материала в области удара вызывает изгиб спирали, что можно рассматривать под микроскопом с большим увеличением как узор в елочку.Добавляя дополнительный уровень сложности, самый внешний слой области удара снова отличается, предлагая тонкое, похожее на частицы покрытие вокруг поверхности дактильной клюшки, которое действует для делокализации напряжения, которое может вызвать катастрофический отказ внутри клюшки.Николас Яраги, аспирант группы Кисайлуса, который руководил текущим исследованием, сказал, что это первый раз, когда уникальная структура елочки наблюдалась в Природе.«Из предыдущих исследований мы знали, что область удара позволяет креветке-богомолу передавать невероятный импульс своей добыче, сопротивляясь разрушению, но было интересно обнаружить в ходе наших исследований, что свойства этого материала с высокой ударопрочностью созданы новой елочкой. структура ", — сказал он.
Чтобы подтвердить свои гипотезы, Кисайлус и его исследовательская группа объединились с Пабло Заваттьери, адъюнкт-профессором гражданского строительства и научным сотрудником университетского факультета Университета Пердью, и его командой, чтобы выполнить анализ методом конечных элементов, чтобы понять роль этих структур. Исследователи также изготовили структуру в виде елочки с использованием синтетических материалов и 3D-принтера.
Заваттьери и его ученик Николас Гуарин-Сапата построили вычислительные модели, которые воспроизводят локальные детали структуры «елочки». Эти модели объяснили, что повреждающее напряжение может быть распределено более равномерно, уменьшая катастрофические разрушения конструкции. Испытания на сжатие биомиметического композита для 3D-печати также помогли доказать, что структура в виде елочки делает область удара даже более эффективной, чем периодическая область, в перераспределении напряжения и отклонении трещин.
«Хотя результаты компьютерного моделирования дали нам убедительное подтверждение перераспределения напряжений в этих структурах, момент« вау »наступил, когда мы протестировали наши образцы для 3D-печати», — сказал Гуарин-Сапата.Кисайлус сказал, что открытие очень ударопрочной структуры в виде елочки дает новое вдохновение, поскольку его команда разрабатывает материалы следующего поколения для различных применений, включая аэрокосмическую, автомобильную и броню.«Креветка-богомол превратила эту исключительно прочную и ударопрочную дактильную дубинку с одной главной целью — иметь возможность есть. Однако чем больше мы узнаем об этом крошечном существе и его многослойной структуре, тем больше мы понимаем насколько это может помочь нам в разработке более совершенных самолетов, автомобилей, спортивного оборудования и брони », — сказал Кисайлус.
Кисайлус сказал, что недавние достижения в области технологий 3D-печати и моделирования упрощают, как никогда, преобразование оружия креветок-богомолов в новые материалы.«Используя методы 3D-печати, подобные тем, что используются командой Заваттьери, мы можем фактически взять то, что мы узнали об архитектуре клуба дактилов, и произвести новые композиты с традиционными инженерными материалами, такими как полимеры и углеродное волокно», — сказал Кисайлус. Фактически, он говорит, что его команда уже производит второе поколение композитов, которые включают в себя не только энергопоглощающий компонент, но и жесткий внешний слой, вдохновленный богомолом.
Он продемонстрировал это, создав шлем с таким твердым покрытием.