螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus) 的攻擊力是動物界最強的，能夠在不到 50 毫秒的時間內施加約 1500 N 的力。這種非凡的衝擊力需要一種專門的保護機制來防止自身造成的結構損傷。先前的研究表明，負責這些攻擊的附屬物指節棒採用聲子帶隙機制來耗散能量並減輕高頻應力波。然而，這一假設缺乏直接的實驗證據。
鑑於此，美國西北大學H. D. Espinosa教授與法國M. Abi Ghanem教授旨在透過鐳射超聲技術和有限元模擬相結合來闡明螳螂蝦指節棒的聲子特性。分析重點關注指節棒的週期性區域，該區域表現出由以螺旋狀排列的幾丁質纖維束組成的空間分級 Bouligand 結構。研究結果表明，週期區域起著色散、高質量分級系統的作用，具有布洛赫諧波、超慢波模式和較低兆赫範圍內的寬布拉格帶隙。這些特性有效地保護了螳螂蝦免受撞擊過程中產生的高頻應力波的影響。相關研究成果以題為“Does the mantis shrimp pack a phononic shield?”發表在最新一期《Science》上。
【螳螂蝦指節棒和描述其聲子行為的方法】
螳螂蝦的指節棒由三個不同的層組成（圖1A-C）：（1）撞擊表面——一層薄（~70µm）、硬（~60GPa）羥基磷灰石塗層，可透過粘塑性變形防止災難性失效。（2）撞擊區域——由礦化幾丁質纖維組成的人字形結構層，旨在透過擴散開裂、裂紋抑制和偏轉來耗散能量。（3）週期區域——具有分級間距和層間旋轉角度的布氏結構層，調節應力波傳播。作者採用鐳射超聲技術評估指節棒的聲子行為。使用兩種方法研究了表面聲波(SAW)傳播：納秒泵探測鐳射超聲(NLU)-用於MHz範圍的色散分析。皮秒泵探測鐳射超聲(PLU)-深入瞭解單個幾丁質纖維束附近較小波長的聲子色散。圖 1D 和 1E 分別描繪了 NLU 和 PLU 方法的示意圖，包括幾丁質纖維的 Bouligand 排列。這些技術可以對螳螂蝦指節棒的聲子響應進行無損評估，從而能夠對指節棒不同區域的波傳播進行空間解析表徵。
圖 1. Mantis Shrimp Club以及表徵其語音行為的方法
【螳螂蝦指節的超聲波聲子散射】
圖 2 說明了dactyl 棒的聲子色散特性。實驗結果顯示，撞擊區和週期區之間的聲子散射存在顯著差異：撞擊區 - 顯示單個非散射 SAW 模式，相速度約為 2380 米/秒。週期區 - 顯示多個散射 SAW 模式，相速度不同（約 3450 米/秒和約 1540 米/秒），分別對應於表面掠過縱波 (SSL) 和瑞利 (R) 波。圖 2B 顯示了 TGS 和 PLU 探測的區域。圖 2C 顯示了透過 TGS 獲得的色散曲線，揭示了多種傳播模式。此外，週期區顯示布洛赫諧波模式，表明聲子帶隙形成。隨著布利根結構間距減小，帶隙寬度增加，增強了週期區在高頻應力波緩解中的作用。圖 2D 和 2E 提供了幾丁質纖維複合材料和纖維束的 SEM 影象。圖 2F 顯示了 PLU 實驗的色散曲線，強調了聲子帶隙效應。
圖 2. 超聲波語音分散螳螂蝦的Dactyl Club
【聲子色散的有限元模擬】
為了解釋實驗觀察結果，作者進行了有限元模擬(FEM)。首先，作者的建模方法是將Bouligand 結構近似為橫向各向同性層的複合層壓板。圖 3A 描繪了模擬域和剛度矩陣變化。模擬結果預測了 SSL 和 R 波布洛赫諧波，並透過實驗進行了驗證（圖3B）。圖 3C 展示了來自 PLU 實驗的其他模擬散射曲線，突出顯示了波相互作用。最終確定 R 波的聲子帶隙約為 25 MHz。分級 Bouligand 結構表現出強大的聲子濾波能力。
圖 3. 語音分散的有限元模擬
【螳螂蝦的分級微結構在衝擊衰減中的作用】
作者系統評估了螳螂蝦的微結構對沖擊緩解的適應性。圖 4A 概述了撞擊順序和相關的時間尺度。圖 4B 展示了沿指節棒中軸的 Bouligand 螺距的空間調製，展示了結構的梯度。圖 4C 說明了微結構的彈性特性如何響應幾何調製而發生空間變化：指節棒的週期性區域起到聲子遮蔽的作用，衰減 MHz 範圍內的剪下波。作者模擬了撞擊條件下平面縱波和剪下波傳播的有限元（FEA）模型。FEA 模型（圖4D）顯示，與單螺距結構相比，分級 Bouligand 結構過濾了更寬範圍的剪下波。此外，作者還進行了單螺距和漸變螺距結構的透射光譜，結果表明，66% 的剪下波能量在單螺距結構中被過濾，在分級結構中增加到 43%。這突出了漸變微結構在減輕剪下波方面的卓越波過濾效率。
圖 4. 螳螂蝦在撞擊衰減中分級的微觀結構的作用
【總結】
本文首次提供了螳螂蝦指節中聲子帶隙的直接實驗證據。主要發現包括：（1）布洛赫諧波和帶隙-週期性區域表現出與工程聲子晶體相似的聲子特性。（2）用於波衰減的漸變結構-功能漸變的Bouligand架構增強了寬頻剪下波過濾。（3）生物撞擊緩解-高頻聲子遮蔽可能在反覆的高衝擊力撞擊中保護螳螂蝦的神經組織和結構完整性。螳螂蝦進化出了一種類似啁啾聲子晶體的結構，這為具有可調波過濾特性的仿生材料提供了靈感。這些發現為在工程應用中設計先進的抗衝擊複合材料鋪平了道路，特別是在航空航天和國防工業中。
來源：高分子科學前沿
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