Уникальная структура “дактильной дубинки” обеспечивает устойчивость креветки-богомола к экстремальным ударным нагрузкам

Ракообразные отряда ротоногих (креветки-богомолы) демонстрируют беспрецедентную силу удара, не имеющую аналогов в животном мире. Удар, наносимый креветкой-богомолом, достигает скорости 23 м/с и создает усилие в 1500 Н, что позволяет данному организму разрушать твердые раковины моллюсков и даже механически повреждать силикатное стекло аквариумов.

В связи с высокой энергией воздействия, научное сообщество проявляет интерес к механизмам, обеспечивающим устойчивость ударных придатков креветки-богомола к разрушению. В рамках нового исследования, ученые раскрыли особенности строения “дактильных дубинок” – специализированных аппендиксов креветки-богомола, используемых для нанесения ударов. Обнаружено, что данные структуры обладают уникальным механизмом фильтрации волн напряжения, возникающих в момент удара, что обеспечивает защиту креветки от воздействия высоких ударных нагрузок.

Инженер-механик Горацио Эспиноса из Северо-Западного университета (США) отмечает: “Креветки-богомолы обладают уникальной способностью генерировать чрезвычайно мощные удары, способные разрушать раковины моллюсков и даже аквариумное стекло. Для обеспечения возможности многократного нанесения подобных ударов, структура “дактильной дубинки” креветки-богомола должна включать эффективные механизмы защиты от разрушения. Ранее проводившиеся исследования фокусировались преимущественно на изучении прочностных характеристик и устойчивости к образованию трещин, рассматривая “дактильную дубинку” как гомогенную структуру, выполняющую функцию ударопрочного щита”.

Результаты настоящего исследования демонстрируют, что “дактильная дубинка” функционирует как сложная система, включающая элементы, обеспечивающие избирательную фильтрацию волн напряжения, возникающих в момент удара. Данный механизм позволяет креветке-богомолу сохранять эффективность атаки при многократном использовании и предотвращает повреждение мягких тканей. Известно, что атака креветки-богомола сопровождается формированием кавитационных пузырьков в водной среде. При движении аппендикса с высокой скоростью, происходит локальное снижение давления, что приводит к образованию вакуума и последующему испарению воды.

Схлопывание кавитационных пузырьков сопровождается выбросом энергии в виде тепла, света и акустических волн, что усиливает разрушающее воздействие на цель. Эспиноса поясняет: “При нанесении удара, креветка-богомол генерирует волны давления, воздействующие на цель. Одновременно с этим, формируются кавитационные пузырьки, схлопывание которых происходит в течение долей секунды и сопровождается генерацией ударных волн в мегагерцовом диапазоне. Коллапс кавитационных пузырьков высвобождает значительное количество энергии, распространяющейся в структуре аппендикса, усиливая разрушающее воздействие на цель”. Несмотря на воздействие экстремальных нагрузок, сама креветка-богомол остается неуязвимой, что обусловлено особенностями строения ее ударных придатков.

Для выявления механизмов, обеспечивающих устойчивость “дактильных дубинок”, группа ученых под руководством инженера Николаса Альдерете из Северо-Западного университета провела детальное исследование морфологии и структуры аппендиксов креветки-богомола павлиньего (Odontodactylus scyllarus). Использовались методы пикосекундной лазерной ультразвуковой спектроскопии и спектроскопии переходной решетки для изучения реакции материала на распространение механических волн. Результаты показали, что “дактильные дубинки” обладают уникальной иерархической микроструктурой, обеспечивающей гашение и фильтрацию волн напряжения, защищая организм от повреждений. Ранее было установлено, что покровные ткани “дактильной дубинки” характеризуются многослойной организацией.

Поверхность аппендикса состоит из тонкого слоя гидроксиапатита (минерала, входящего в состав зубной эмали позвоночных). Под гидроксиапатитным слоем располагается слой хитиновых волокон, ориентированных в форме “елочки”, обеспечивающий высокую структурную прочность. Более глубокие слои образованы хитиновыми фибриллами, скрученными в спиральные структуры, формирующие так называемую булигандовскую структуру, повышающую сопротивление разрушению.

Новые данные свидетельствуют о том, что хитиновый слой с булигандовской структурой выполняет функцию фононного кристалла, обеспечивая фильтрацию звуковых волн и волн механического напряжения. На основании полученных результатов, исследователи предполагают, что дальнейшее изучение особенностей строения и функционирования “дактильных дубинок” креветки-богомола, может быть использовано для разработки новых биомиметических материалов, обладающих высокой прочностью и устойчивостью к экстремальным нагрузкам.