螳螂蝦也算一種網紅生物了。它的「出圈」，一方面是由於美麗的外表——螳螂蝦具有色彩鮮艷的鎧甲，在甲殼類生物中顏值相當出眾；另一方面則是因為其剽悍的體格和bug般強大的武力值：它的「拳頭」可以輕鬆擊碎螃蟹和牡蠣等生物的堅硬外殼，甚至能打破水族館的玻璃。物理知識告訴我們，力的作用是相互的，螳螂蝦能使出如此大的威力，也將承受極大的衝擊力。作為海中「拳王」，它們如何保護自己的身體不受傷害呢？
螳螂蝦。來源：https://arstechnica.com/
螳螂蝦生來自帶威力巨大的「生物武器」——它擁有一對堅硬的掠足，形狀類似於緊握的拳頭。令人驚訝的是，當它用這對「拳頭」擊碎獵物的外殼時，自身卻能做到毫髮無傷。
螳螂蝦的攻擊過程令人嘖嘖稱奇。它們出拳時的速度可以比擬.22口徑子彈（約1316公里/小時），這樣的動作速度放在整個動物界都數一數二。「拳頭」在水中快速揮動向目標撞擊時，會形成瞬態低壓區並通過空化作用產生氣泡，氣泡形成後迅速坍塌破裂，產生數百兆赫的高頻衝擊波，這個過程會釋放出極端的光能和熱能，以至於在瞬間，擊打區域周圍的水溫可達到太陽表面溫度，甚至可能伴隨短暫閃光。螳螂蝦出拳時產生的力量能達到自身體重的一千倍以上，一般來說，釋放這麼大的能量會有反作用，能量產生的衝擊波會嚴重破壞動物的軟組織，然而螳螂蝦卻絲毫不受影響。如今，我們終於知道原因了。
美國西北大學的研究團隊在研究一種螳螂蝦的掠足時發現，它們的掠足具有分級微結構，可以選擇性地阻擋聲波，起到保護蝦體免受振動傷害的作用。這類分級微結構中存在「聲子帶隙」，可以過濾掉可能造成神經和軟組織創傷的聲波。
近日，研究人員在發表於《科學》上的一項研究中提出：「這些特定區域的聲子帶隙機制構成了一個協同保護系統，能夠承受反覆的高強度衝擊而不會造成實質性損傷。」
雀尾螳螂蝦，來源：https://www.istockphoto.com/
身披「鎧甲」，內有乾坤
螳螂蝦既不是螳螂，也不是蝦，而是一種口足目動物。它們是首次出現於4億年前的掠食性海洋甲殼類動物，以軟體動物、魚類、刺絲胞動物和其他甲殼類動物為食。它們捕食能力極強，例如，雀尾螳螂蝦（Odontodactylus scyllarus）在它棲息的熱帶淺灘便屬於最「兇猛」的掠食者之一。
美國西北大學的研究小組仔細研究了一隻孔雀螳螂蝦標本的掠足，發現了三層聲子防禦結構。聲子是固體材料中由原子周期性振動產生的振動能量單元。這些聲子防禦材料就像螳螂蝦的「護身鎧甲」，其結構可以調節穿過它們的聲波。
在解剖螳螂蝦的掠足時，研究人員發現其表面覆蓋著羥基磷灰石（人體中也存在羥基磷灰石，正是這種材料使得我們的牙齒與骨骼堅硬強韌）。羥基磷灰石塗層下方是被稱為「衝擊區」（impact region）的結構，由人字形排列的甲殼素層構成（甲殼素是一種堅硬的多糖類物質，顧名思義，它能夠構成甲殼類生物的外殼）。研究人員認為，這種特定結構的甲殼素能夠消散可能引發裂紋的聲波。
牙齒中的羥基磷灰石，來源：https://www.todaysrdh.com/
甲殼素層下方還有一層，研究者稱之為「循環排列區域」（periodic region），充滿著多層甲殼素「彈簧」。出拳時，螳螂蝦通過肌肉控制收起「拳頭」後向前彈射，釋放預載於「彈簧」中的能量以擊碎獵物外殼。這些「彈簧」由螺旋排列的甲殼素奈米纖維構成，捲曲堆疊方式使每個部分的結構形似真實的彈簧。此類設計不僅調控聲波傳播路徑以防止結構斷裂，還能保護內部的神經與軟組織免受高頻振動損傷。究其原因，是由於循環排列區域的螺旋纖維排列可產生聲子剪切波帶隙，從而可選擇性過濾納秒級空化氣泡坍塌產生的低頻兆赫範圍剪切波，保護軟組織免受損傷。
研究團隊拍攝的甲殼素纖維束電鏡圖像。
看武功高手如何「化勁兒」
螳螂蝦擁有強大攻擊力的代價便是要承受自身產生的猛烈衝擊。如同步口譯說中擅長「化勁兒」的武林高手，它們能夠藉助自身獨特的結構，巧妙消散掉可能有害的衝擊波。這種能力也給人類帶來了許多啟發。
為探究螳螂蝦掠足的承力極限，研究人員隨後對活體蝦進行了實驗：模仿在海中擊碎貝殼時的情景，讓螳螂蝦擊打壓電力傳感器。此外，他們還用超聲及高超聲雷射照射螳螂蝦掠足標本切片，從微觀層面上觀察其抵禦聲波的過程。
研究團隊繪製的螳螂蝦攻擊過程。
通過追蹤聲波在掠足表面的傳播路徑，研究人員確定了哪一區域對波的消散作用最強。結果顯示：第二層即「衝擊區」承擔了最高應力水平，而循環排列區域的防護效率與之接近。二者的協同作用使掠足幾乎能完全化解自身產生的應力。
螳螂蝦這種防護結構在自然界中很少能找到其他例子。先前曾有研究發現，某些飛蛾翅膀的鱗片能夠吸收捕食蝙蝠的聲波，避免通過回聲定位被發現。對螳螂蝦掠足結構的研究，為理解自然界中的天然結構如何化解高頻能量提供了新視角。
研究人員稱，螳螂蝦因其顯著的衝擊相關特性，長期被視為生物工程的典範。理解螳螂蝦如何抵禦極端衝擊或許能夠啟發一些全新的技術，對其掠足結構的研究可能影響未來軍用防護裝備與運動護具的設計。「螳螂蝦的衝擊包含超聲波頻段成分，這促使我們以超聲波過濾為關鍵保護機制開發仿生方案。」研究團隊在同一論文中表示。
或許在未來，你佩戴的一款新型自行車頭盔的設計靈感，就源自這種體長僅7英寸、卻能在高壓下「堅不可摧」的生物。
