螳螂虾鞍:的生物力学设计一种快速猛禽攻击的生物惯性弹簧

口足类动物用它们强大的“手指和爪子”发起了动物界最快的攻击之一。“这种运动学性能是通过功率放大器实现的，弹性能量储存在鞍形矿化双层结构中。我们将一组全面的微观力学测量与有限元建模(FEM)相结合，以定量阐明鞍座的生物力学设计。动态纳米尺度试验表明，高矿化层的粘弹性耗散最小，而微悬臂梁的微弯曲试验则凸显了双层布置在优化弹性储能中的关键作用。有限元分析结果表明，鞍形可以防止应力集中，加载时应力保持在弹性范围内，中性面与双层界面重合，从而防止界面脱层。这项研究揭示了马鞍多尺度设计背后的迷人能力，使用刚性但本质上易碎的材料来储存高密度弹性能量。

在许多生物系统中，快速运动学是一个关键的进化特征，尤其是对于逃跑或捕食策略。从很小的时候起，昆虫，如跳颚蚂蚁，就会迅速合上它们的颚并推动它们的身体(Patek等人，2006年

)，向鳄鱼嘴强力攻击(Eriksson等，2014

)捕捉昆虫(Forterre等人，2005年)

)，大自然进化出了各种超快运动。近年来备受关注的一个突出例子是dactyl Club (Patek等人，2004年)对口足类动物(俗称螳螂虾)的蛮力攻击。

(图1)口足类动物是攻击性甲壳类动物。它们用自己的两指肢棒作为超快速锤武器，以高达每秒23米的速度攻击猎物(Patek等人，2004)。

)，这对软件和硬件具有高负载影响。

图1孔雀螳螂虾的鞍状结构

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仅靠肌肉不足以提供击球过程中所需的输入能量。因此，opod发展了一种鞍形弹簧作为功率放大系统(deVries等人，2012年)。

和百达翡丽考德威尔，2005年。

Patek等人，2007年

)(图1A和1B)输入能量来自肌肉和结缔组织，它们用准静态机构缓慢而弹性地加载鞍形弹簧(准静态机构)，弹性储存能量的释放在击打过程中为手指球杆提供加速度和动力(图1C) (Patek等人，2007)

)。理想的弹簧应该是刚性和可膨胀的，以最大限度地储存弹性能量，但这带来了固有的材料限制，因为从断裂力学的角度来看，这些特性通常是互斥的(Ritchie，2011)。

在草坪上，1993年

)。在最近的一项研究中，我们发现，为了克服这一限制，口足类动物在中观尺度上进化出了它们的鞍形结构，这些鞍形结构在微观尺度上由多相生物材料组成，并且每一层中的有机/无机比例都得到了优化(图1D和1E)。外层在加载过程中处于压缩应力下，这是高度矿化的，而内层处于连续拉伸应力下，这包含高生物多晶硅相(Tadayon等人，2015年)。

)。我们假设这种设计允许最好地储存弹性能量，同时防止脆性破坏。实际上，受拉应力的层主要由拉伸生物聚合物组成，而强矿化层主要受压应力，因此原则上防止过早断裂，因为矿物(包括生物矿物)在压缩时脆性小得多(Meyers等人，2006)。

)。

然而，鞍形机械设计的定量分析仍然缺乏，空间相分布和双层结构如何在连续介质层面转化为宏观响应尚不清楚。此外，双层结构能够以最小的粘弹性耗散最大限度地存储弹性能量的实验结论仍有待建立。在这项研究中，我们试图用实验和数字来回答这些基本问题。我们设计了具体的微纳米力学实验，提取各层的弹塑性特征和粘弹性耗散、生物多晶硅相的拉伸曲线及其弯曲响应。

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