Hummers underliv er lige så hårdt som industrigummi

Vend en hummer på ryggen, og du vil se, at undersiden af ​​dens hale er delt i segmenter forbundet med en gennemskinnelig membran, der virker ret sårbar sammenlignet med den panserlignende skjold, der beskytter resten af ​​krebsdyret.

Men ingeniører ved MIT og andre steder har fundet ud af, at denne bløde membran er overraskende hård, med en mikroskopisk, lagdelt, krydsfinerlignende struktur, der gør den bemærkelsesværdig tolerant over for skrammer og snit. Denne vildledende hårde film beskytter hummerens mave, mens dyret suser hen over den stenede havbund.

Membranen er også elastisk, til en vis grad, som gør det muligt for hummeren at piske halen frem og tilbage, og gør det svært for et rovdyr at tygge igennem halen eller trække den fra hinanden.

Denne fleksibilitet kan komme fra det faktum, at membranen er en naturlig hydrogel, består af 90 procent af vand. Chitin, et fibrøst materiale, der findes i mange skaller og eksoskeletter, udgør det meste af resten.

Holdets resultater viser, at hummermembranen er det hårdeste materiale af alle naturlige hydrogeler, herunder kollagen, dyrehud, og naturgummi. Membranen er omtrent lige så stærk som industrielle gummikompositter, som dem, der bruges til at fremstille bildæk, haveslanger, og transportbånd.

Hummerens hårde, men alligevel strækbare membran kunne tjene som en designguide for mere fleksibel kropsrustning, især til meget mobile områder af kroppen, såsom albuer og knæ.

"Vi tror, ​​at dette arbejde kunne motivere fleksibelt panserdesign, " siger Ming Guo, d'Arbeloff Karriereudviklingsassistent ved Institut for Mekanisk Teknik ved MIT. "Hvis du kunne lave panser af disse typer materialer, du kunne frit bevæge dine led, og det ville få dig til at føle dig mere komfortabel."

Hele papiret med detaljer om holdets resultater blev vist online den 14. februar i tidsskriftet Acta Materialia. (Tidsskriftet postede et ukorrigeret bevis den 31. januar.) Guos medforfattere er Jinrong Wu og Hao Zhang fra Sichuan University, Liangliang Qu og Fei Deng fra Harvard University, og Zhao Qin, som er forsker i MIT Department of Civil and Environmental Engineering og en anden seniorforfatter til papiret.

Fleksibel beskyttelse

Guo begyndte at undersøge hummermembranens egenskaber efter en middag med en besøgende i hans laboratorium.

"Han havde aldrig spist hummer før, og ville prøve det " husker Guo. "Mens kødet var meget godt, han indså, at mavens gennemsigtige membran var virkelig svær at tygge. Og vi undrede os over, hvorfor det var tilfældet."

Mens meget forskning er blevet afsat til hummerens særpræg, panserlignende skal, Guo fandt ud af, at der ikke var meget kendt om krebsdyrets blødere væv.

"Når hummere svømmer, de strækker og bevæger deres led og vipper deres hale rigtig hurtigt for at flygte fra rovdyr, " siger Guo. "De kan ikke være helt dækket af en hård skal - de har brug for disse blødere forbindelser. Men ingen har set på membranen før, hvilket er meget overraskende for os."

Så han og hans kolleger gik i gang med at karakterisere det usædvanlige materiales egenskaber. De skærer hver membran i tynde skiver, hver af dem kørte gennem forskellige eksperimentelle tests. De placerede nogle skiver i en lille ovn for at tørre, derefter målte de deres vægt. Ud fra disse målinger, de vurderede, at 90 procent af hummerens membran består af vand, gør det til et hydrogelmateriale.

De holdt andre prøver i saltvand for at efterligne et naturligt havmiljø. Med nogle af disse prøver, de udførte mekaniske test, placere hver membran i en maskine, der strækker prøven, mens man præcist måler den påførte kraft. De observerede, at membranen oprindeligt var floppy og let strakt, indtil den nåede omkring det dobbelte af sin oprindelige længde, på hvilket tidspunkt materialet begyndte at stivne og blev gradvist mere sejt og mere modstandsdygtigt over for strækning.

"Dette er ret unikt for biomaterialer, " bemærker Guo. "For mange andre hårde hydrogeler, jo mere du strækker dig, jo blødere er de. Denne stivningsforstærkende adfærd kunne tillade hummere at bevæge sig fleksibelt, men når noget slemt sker, de kan stivne og beskytte sig selv."

Hummers naturlige krydsfiner

Mens en hummer går hen over havbunden, det kan skrabe mod slibende sten og sand. Forskerne undrede sig over, hvor modstandsdygtig hummerens membran ville være over for så små skrammer og snit. De brugte en lille skalpel til at ridse membranprøverne, strakte dem derefter på samme måde som de intakte membraner.

"Vi lavede ridser for at efterligne, hvad der kan ske, når de bevæger sig gennem sand, for eksempel, " Guo forklarer. "Vi skar endda gennem halvdelen af ​​tykkelsen af ​​membranen og fandt ud af, at den stadig kunne strækkes lige så langt. Hvis du gjorde dette med gummikompositter, de ville gå i stykker."

Forskerne zoomede derefter ind på membranens mikrostruktur ved hjælp af elektronmikroskopi. Det, de observerede, var en struktur, der ligner krydsfiner. Hver membran, måler omkring en kvart millimeter tyk, er sammensat af titusindvis af lag. Et enkelt lag indeholder et utal af kitinfibre, der ligner halmfilamenter, alle orienteret i samme vinkel, præcis 36 grader forskudt fra laget af fibre ovenfor. Tilsvarende krydsfiner er typisk lavet af tre eller flere tynde lag træ, kornene i hvert lag orienteret vinkelret på lagene over og under.

"Når du drejer vinklen på fibre, lag for lag, du har god styrke i alle retninger, " Guo siger. "Folk har brugt denne struktur i tørre materialer for defekt tolerance. Men det er første gang, det er set i en naturlig hydrogel."

Anført af Qin, holdet udførte også simuleringer for at se, hvordan en hummermembran ville reagere på et simpelt snit, hvis dets kitinfibre var justeret som krydsfiner, kontra i helt tilfældige orienteringer. At gøre dette, de simulerede først en enkelt kitinfiber og tildelte den visse mekaniske egenskaber, såsom styrke og stivhed. De reproducerede derefter millioner af disse fibre og samlede dem til en membranstruktur bestående af enten helt tilfældige fibre eller lag af præcist orienterede fibre, ligner den egentlige hummermembran.

"Det er fantastisk at have en platform, der giver os mulighed for direkte at teste og vise, hvordan identiske kitinfibre giver meget forskellige mekaniske egenskaber, når de først er indbygget i forskellige arkitekturer," siger Qin.

Endelig, forskerne skabte et lille hak gennem både de tilfældige og lagdelte membraner, og programmerede kræfter til at strække hver membran. Simuleringen visualiserede spændingen gennem hver membran.

"I den tilfældige membran, stressen var lige meget, og når du strakte den, det gik hurtigt i stykker, " siger Guo. "Og vi fandt den lagdelte struktur strakt mere uden at gå i stykker."

"Et mysterium er, hvordan kitinfibrene kan styres til at samles til en så unik lagdelt arkitektur for at danne hummermembranen, " siger Qin. "Vi arbejder på at forstå denne mekanisme, og mener, at sådan viden kan være nyttig til at udvikle innovative måder at styre mikrostrukturen til materialesyntese på."

Ud over fleksibel kropsrustning, Guo says materials designed to mimic lobster membranes could be useful in soft robotics, as well as tissue engineering. Hvis noget, the results shed new light on the survival of one of nature's most resilient creatures.

"We think this membrane structure could be a very important reason for why lobsters have been living for more than 100 million years on Earth, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.