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龙虾的下腹部与工业橡胶一样坚韧

发布时间:2019-11-04 00:52:57 作者:admin 来源:未知

  在背面翻转一只龙虾,你会看到它的尾巴下面是由半透明膜连接的部分分开的,与保护甲壳动物其他部分的盔甲式甲壳相比,它看起来相当脆弱。

  但麻省理工学院和其他地方的工程师发现,这种柔软的薄膜非常坚韧,具有微观,分层,胶合板状结构,使其能够非常耐受刮擦和切割。当动物掠过岩石海底时,这种看似坚韧的薄膜可以保护龙虾的腹部。

  膜在一定程度上也是有弹性的,这使得龙虾能够前后鞭打它的尾巴,并且使捕食者难以咀嚼尾巴或将其拉开。

  这种灵活性可能来自这样一个事实,即膜是一种天然水凝胶,由90%的水组成。甲壳素是一种在许多贝壳和外骨骼中发现的纤维材料,其余大部分都是由甲壳素构成的。

  该团队的研究结果表明,龙虾膜是所有天然水凝胶中最坚韧的材料,包括胶原蛋白,动物皮和天然橡胶。该膜与工业橡胶复合材料一样强,例如用于制造汽车轮胎,花园软管和传送带的复合材料。

  龙虾的坚韧而有弹性的薄膜可以作为更灵活的防弹衣的设计指南,特别是对于身体的高度活动区域,如肘部和膝盖。

  “我们认为这项工作可以激发灵活的装甲设计,”麻省理工学院机械工程系的dArbeloff职业发展助理教授Ming Guo说。“如果你能用这些类型的材料制作盔甲,你就可以自由地移动你的关节,它会让你感觉更舒服。”

  详细介绍该团队成果的全文于2月14日在Acta Materialia期刊上发表。(该杂志于1月31日发布了一份未经证实的证据。)郭的合着者是四川大学的吴金荣和张浩,哈佛大学的梁良亮和邓飞,以及麻省理工学院麻省理工学院研究科学家赵勤。土木与环境工程和该论文的另一位高级作者。

  “他之前从未吃过龙虾,并想尝试它,”郭回忆说。“虽然肉很好,但他意识到腹部的透明膜很难咀嚼。我们想知道为什么会这样。”

  虽然很多研究都专注于龙虾独特的盔甲式外壳,但郭发现对甲壳类动物较软的组织知之甚少。

  “当龙虾游泳时,它们伸展并移动关节并快速翻转它们的尾巴以逃避掠食者,”郭说。“它们不能完全被硬壳覆盖 - 它们需要这些更柔软的连接。但之前没有人看过膜,这对我们来说非常令人惊讶。”

  因此,他和他的同事开始着手描述不寻常材料的特性。他们将每个膜切成薄片,每个薄膜都进行了各种实验测试。他们将一些切片放在一个小烤箱中晾干,然后测量它们的重量。根据这些测量结果,他们估计90%的龙虾膜由水组成,使其成为水凝胶材料。

  他们将其他样品保存在盐水中以模仿自然的海洋环境。对于这些样品中的一些,他们进行了机械测试,战神国际服务将每个膜放置在拉伸样品的机器中,同时精确测量施加的力。他们观察到膜最初是松软的并且容易拉伸,直到它达到其初始长度的约两倍,此时材料开始变硬并逐渐变得更坚韧并且更耐拉伸。

  “这对生物材料来说非常独特,”郭说。“对于许多其他坚韧的水凝胶,你伸展得越多,它们就越柔软。这种拉伤僵硬的行为可以使龙虾灵活移动,但是当发生不好的事情时,它们会变硬并保护自己。”

  当龙虾穿过海底时,它可以刮擦磨砂和沙子。研究人员想知道龙虾膜对这种小刮擦和切割的弹性有多大。他们用一把小手术刀划伤膜样品,然后以与完整膜相同的方式拉伸它们。

  “例如,我们做了划痕来模仿他们穿过沙子时会发生什么,”郭解释道。“我们甚至切开了薄膜厚度的一半,发现它仍然可以拉伸到相同的距离。如果你用橡胶复合材料做到这一点,它们就会破裂。”

  然后研究人员使用电子显微镜放大了膜的微观结构。他们观察到的结构非常类似于胶合板。每个厚度约为四分之一毫米的薄膜由数万层组成。单层含有无数的几丁质纤维,类似于稻草细丝,全部以相同的角度取向,与上面的纤维层精确地偏离36度。类似地,胶合板通常由三层或更多层薄木材制成,每层的颗粒与上方和下方的层成直角取向。

  “当你逐层旋转纤维的角度时,你在各个方向都有很好的力量,”郭说。“人们一直在干燥材料中使用这种结构来容忍缺陷。但这是第一次在天然水凝胶中看到它。”

  在Qin的带领下,该团队还进行了模拟,看看如果甲壳素纤维像胶合板那样对齐,龙虾膜如何对简单的切割做出反应,而不是完全随机的方向。为此,他们首先模拟单个几丁质纤维并赋予其某些机械性能,例如强度和刚度。然后,他们复制了数百万根这些纤维并将它们组装成由完全随机纤维或精确定向纤维层组成的膜结构,类似于实际的龙虾膜。

  “有一个平台可以让我们直接测试并显示几丁质纤维在构建成各种结构后产生非常不同的机械性能,这是令人惊奇的”秦说。

  最后,研究人员通过随机和分层膜创建了一个小凹口,并编程了力来拉伸每个膜。模拟可视化每个膜的应力。

  “在随机膜中,应力是相等的,当你拉伸它时,它很快就会断裂,”郭说。“我们发现层状结构在没有断裂的情况下伸展得更多。”

  “一个谜团是如何引导几丁质纤维组装成这样一种独特的分层结构,形成龙虾膜,”秦说。“我们正在努力理解这种机制,并相信这些知识可用于开发管理材料合成微观结构的创新方法。”

  除了灵活的防弹衣,郭说,设计用于模仿龙虾膜的材料可用于软机器人以及组织工程。如果有的话,结果为自然界中最具弹性的生物之一的生存提供了新的视角。

  “我们认为这种膜结构可能是龙虾在地球上生存超过1亿年的一个非常重要的原因,”郭说。“不知何故,这种骨折耐受性确实帮助了他们的进化。”