Mantis-rejeklubbens mangefacetterede design er inspirerende avancerede kompositmaterialer til fly, fodboldhjelme

Smarte boksere binder deres hænder med strimler af klud for at undgå skader, når de slår et slag. For millioner af år siden, den "smasher" mantis rejer, et af naturens fedeste rovdyr, fundet ud af en lignende måde at beskytte den hammerlignende kølle, den bruger til at pulverisere byttedyr med utrolig hurtighed og kraft.

I forskning offentliggjort i dag i Avancerede materialer , en gruppe forskere ledet af UC Riversides David Kisailus har identificeret en unik struktur, der omslutter mantis-rejekøllen for at beskytte den mod selvforskyldt skade, mens den knuser et hårdtskallet bytte. Fundet vil hjælpe Kisailus' team med at udvikle ultra-stærke materialer til rumfarts- og sportsindustrien.

Mantis rejer, som også kaldes stomatopoder, er aggressive krebsdyr kendt for at dræbe deres bytte ved hjælp af et rovdyr, der er blandt de hurtigste kendte dyrebevægelser. Stomatopoder er opdelt i to grupper:"spyd, "som angriber et blødt bytte ved hjælp af en harpunlignende struktur, og de mere nyligt udviklede "smashere, ", som knuser et bytte med hård skal ved hjælp af et hammerlignende vedhæng kaldet en daktylkølle.

Kisailus, hvem er Winston Chung-begavet professor i energiinnovation ved UCR's Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering, har studeret smashers' clubs som inspiration til udviklingen af ​​næste generations kompositmaterialer. Hans arbejde er finansieret af et Air Force Office of Scientific Research under et $7.5M Multi-University Research Initiative. Kisailus' samarbejdspartner er Pablo Zavattieri, Professor i Civil Engineering og University Faculty Scholar ved Purdue University.

I tidligere forskning, holdet viste, at daktylklubben er en multiregional komposit lavet af mineraliseret kitin - det samme materiale som findes i skallerne af insekter og krebsdyr - arrangeret i en række unikke strukturer. Klubbens ydre, kaldet påvirkningsregionen, tjener som hårdt, revnebestandig belægning, der gør det muligt for mantisrejen at påføre sit bytte utrolig stor skade ved at overføre dets momentum ved stød. Klubbens indre består af to regioner:den periodiske region, en energiabsorberende struktur, der spreder revner langs en række lange spiralformede (spirallignende) fibre, og den stribede region. I det aktuelle papir, forskerne viser, at den tværstribede region består af en række højt afstemte fibre, som vikler sig rundt om køllen og forhindrer den i at udvide sig ved stød.

"Vi mener, at den fiberforstærkede stribede regions rolle i smasherens klub er meget som den håndindpakning, der bruges af boksere, når de kæmper:at komprimere køllen og forhindre katastrofale revner. Sammen, sammenstødet, periodiske og stribede regioner danner en klub af utrolig styrke, holdbarhed og slagfasthed, " sagde Kisailus.

Kisailus sagde, at et lignende stribet arkitektonisk element ses i smasherens mere gamle fætter, spydmanden, hvor det menes at forhindre den lange, tynde modhager fra at blive deformeret under gennemtrængende angreb. Tilstedeværelsen af ​​denne struktur i spydet muliggjorde sandsynligvis fremkomsten af ​​smasheren og dens biologiske hammer, en diversificering, der faldt sammen med udseendet af hårdskallede byttedyr med mere sofistikeret forsvar. Interessant nok, de fandt også en lignende struktur i skinnebenet på den landbaserede bønnemantis, tyder på, at biologi har brugt dette design til lignende funktioner.

Også i avisen, forskerne afslørede, hvordan smasheren udfører så hurtige undervandsangreb, som kan forekomme ved hastigheder på op til 23 meter i sekundet. Klubbens profil, sammen med en tilstødende region kaldet propodus, er et hydrodynamisk dråbedesign, der reducerer modstand på grund af træk. På grund af dette dråbedesign, køllens acceleration er så stor (større end en 0,22 kaliber kugle), at den skærer vandet, skabe kavitation (bobler, der imploderer) for at give en sekundær påvirkning på mantis-rejens bytte.

"Interessant nok, aerodynamiske cykelhjelme og golfkøller har allerede dette design, tyder på, at naturen var et skridt foran mennesker i at opnå højtydende strukturer. Den naturlige verden kan give mange flere designsignaler, der vil sætte os i stand til at udvikle højtydende syntetiske materialer, " sagde Kisailus.