摘要：螳螂虾(Odontodactylus scyllarus) 的攻击力是动物界最强的，能够在不到 50 毫秒的时间内施加约 1500 N 的力。这种非凡的冲击力需要一种专门的保护机制来防止自身造成的结构损伤。先前的研究表明，负责这些攻击的附属物指节棒采用声子带隙
螳螂虾(Odontodactylus scyllarus) 的攻击力是动物界最强的，能够在不到 50 毫秒的时间内施加约 1500 N 的力。这种非凡的冲击力需要一种专门的保护机制来防止自身造成的结构损伤。先前的研究表明，负责这些攻击的附属物指节棒采用声子带隙机制来耗散能量并减轻高频应力波。然而，这一假设缺乏直接的实验证据。
鉴于此，美国西北大学H. D. Espinosa教授与法国M. Abi Ghanem教授旨在通过激光超声技术和有限元模拟相结合来阐明螳螂虾指节棒的声子特性。分析重点关注指节棒的周期性区域，该区域表现出由以螺旋状排列的几丁质纤维束组成的空间分级 Bouligand 结构。研究结果表明，周期区域起着色散、高质量分级系统的作用，具有布洛赫谐波、超慢波模式和较低兆赫范围内的宽布拉格带隙。这些特性有效地保护了螳螂虾免受撞击过程中产生的高频应力波的影响。相关研究成果以题为“Does the mantis shrimp pack a phononic shield?”发表在最新一期《Science》上。
【螳螂虾指节棒和描述其声子行为的方法】
螳螂虾的指节棒由三个不同的层组成（图1A-C）：（1）撞击表面——一层薄（~70µm）、硬（~60GPa）羟基磷灰石涂层，可通过粘塑性变形防止灾难性失效。（2）撞击区域——由矿化几丁质纤维组成的人字形结构层，旨在通过扩散开裂、裂纹抑制和偏转来耗散能量。（3）周期区域——具有分级间距和层间旋转角度的布氏结构层，调节应力波传播。作者采用激光超声技术评估指节棒的声子行为。使用两种方法研究了表面声波(SAW)传播：纳秒泵探测激光超声(NLU)-用于MHz范围的色散分析。皮秒泵探测激光超声(PLU)-深入了解单个几丁质纤维束附近较小波长的声子色散。图 1D 和 1E 分别描绘了 NLU 和 PLU 方法的示意图，包括几丁质纤维的 Bouligand 排列。这些技术可以对螳螂虾指节棒的声子响应进行无损评估，从而能够对指节棒不同区域的波传播进行空间解析表征。
图 1. Mantis Shrimp Club以及表征其语音行为的方法
【螳螂虾指节的超声波声子散射】
图 2 说明了dactyl 棒的声子色散特性。实验结果显示，撞击区和周期区之间的声子散射存在显著差异：撞击区 - 显示单个非散射 SAW 模式，相速度约为 2380 米/秒。周期区 - 显示多个散射 SAW 模式，相速度不同（约 3450 米/秒和约 1540 米/秒），分别对应于表面掠过纵波 (SSL) 和瑞利 (R) 波。图 2B 显示了 TGS 和 PLU 探测的区域。图 2C 显示了通过 TGS 获得的色散曲线，揭示了多种传播模式。此外，周期区显示布洛赫谐波模式，表明声子带隙形成。随着布利根结构间距减小，带隙宽度增加，增强了周期区在高频应力波缓解中的作用。图 2D 和 2E 提供了几丁质纤维复合材料和纤维束的 SEM 图像。图 2F 显示了 PLU 实验的色散曲线，强调了声子带隙效应。
图 2. 超声波语音分散螳螂虾的Dactyl Club
【声子色散的有限元模拟】
为了解释实验观察结果，作者进行了有限元模拟(FEM)。首先，作者的建模方法是将Bouligand 结构近似为横向各向同性层的复合层压板。图 3A 描绘了模拟域和刚度矩阵变化。模拟结果预测了 SSL 和 R 波布洛赫谐波，并通过实验进行了验证（图3B）。图 3C 展示了来自 PLU 实验的其他模拟散射曲线，突出显示了波相互作用。最终确定 R 波的声子带隙约为 25 MHz。分级 Bouligand 结构表现出强大的声子滤波能力。
图 3. 语音分散的有限元模拟
【螳螂虾的分级微结构在冲击衰减中的作用】
作者系统评估了螳螂虾的微结构对冲击缓解的适应性。图 4A 概述了撞击顺序和相关的时间尺度。图 4B 展示了沿指节棒中轴的 Bouligand 螺距的空间调制，展示了结构的梯度。图 4C 说明了微结构的弹性特性如何响应几何调制而发生空间变化：指节棒的周期性区域起到声子屏蔽的作用，衰减 MHz 范围内的剪切波。作者模拟了撞击条件下平面纵波和剪切波传播的有限元（FEA）模型。FEA 模型（图4D）显示，与单螺距结构相比，分级 Bouligand 结构过滤了更宽范围的剪切波。此外，作者还进行了单螺距和渐变螺距结构的透射光谱，结果表明，66% 的剪切波能量在单螺距结构中被过滤，在分级结构中增加到 43%。这突出了渐变微结构在减轻剪切波方面的卓越波过滤效率。
图 4. 螳螂虾在撞击衰减中分级的微观结构的作用
【总结】
本文首次提供了螳螂虾指节中声子带隙的直接实验证据。主要发现包括：（1）布洛赫谐波和带隙-周期性区域表现出与工程声子晶体相似的声子特性。（2）用于波衰减的渐变结构-功能渐变的Bouligand架构增强了宽带剪切波过滤。（3）生物撞击缓解-高频声子屏蔽可能在反复的高冲击力撞击中保护螳螂虾的神经组织和结构完整性。螳螂虾进化出了一种类似啁啾声子晶体的结构，这为具有可调波过滤特性的仿生材料提供了灵感。这些发现为在工程应用中设计先进的抗冲击复合材料铺平了道路，特别是在航空航天和国防工业中。
来源：科学生活前线