Mantis rejer perfekt skjold

Hvordan beskytter du dig selv mod det perfekte slagvåben? Du udvikler det perfekte skjold.

Hvis du er en mantis-reje med en køllelignende arm, der er sej nok til at knække muslingeskaller, du må hellere ikke komme i slagsmål med dine venner. Men de små krebsdyr, blandt havets fedeste skabninger, kan ikke modstå at stryge efter hinanden over habitat, så de udviklede et specialiseret skjold i deres halesegment kaldet en telson, der absorberer slagene. Telson er en flerskala struktur med kamme på ydersiden og en struktur formet som en vindeltrappe på indersiden. Det inspirerer en ny klasse af letvægts, slagfaste materialer til hjelme, biler, og mere.

Forskning ledet af David Kisailus, Winston Chung-begavet professor i energiinnovation ved UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering; og Pablo Zavattieri, en professor og University Faculty Scholar ved Purdue's Lyles School of Civil Engineering har låst op for telsons hemmelighed - med et øje på at skabe bedre materialer til sport, rumfart, og en lang række andre applikationer.

Kisailus, hvis laboratorium undersøger biologiske kompositstrukturer som inspiration til nye materialer, sagde et papir fra Duke University's Sheila Patek om telsons evne til at absorbere energi, inspirerede ham til at undersøge, hvilken rolle multiskala arkitektoniske træk har på slagfasthed.

Nogle arter af mantis-rejer, kaldet smashers på grund af deres kraftfulde daktylklub, bebo hulrum i koralrev. Konkurrencen om det begrænsede antal egnede huler er hård, og mantis bruger deres telson til at beskytte sig mod ødelæggende slag. Mindre aggressive typer mantis-rejer, kaldet spydmænd - efter det vedhæng, de bruger til at stikke byttedyr - har også en telson. Spydmænd lever i sandet, som er rigeligt, og dermed have færre konflikter om levesteder.

Kisailus, ledende forsker i et multi-universitetsstipendium finansieret af Air Force Office of Scientific Research, og hans team påbegyndte undersøgelserne af både storstilet arkitektur såvel som den interne struktur af begge typer telson og udsatte hver for mekanisk test. De fandt en spiralformet struktur i dette specialiserede skjold, der forhindrer revner i at vokse og i sidste ende spreder betydelige mængder energi fra strejker for at undgå katastrofale fejl. Den spiralformede, eller snoet krydsfiner-lignende, struktur ligner en, som forskerne tidligere har identificeret i smasherens dactyl-klub, der gør det muligt for den at knække muslingeskaller uden at gå i stykker.

"I over et årti, vi har studeret dactyl-klubben af ​​den knusende type mantis-rejer. Vi indså, at hvis disse organismer ramte hinanden med så utrolige kræfter, Telson skal bygges på en sådan måde, at den fungerer som det perfekte skjold, " sagde Kisailus. "Vi fandt ud af, at ikke kun smasherens telson indeholdt den helicoide mikrostruktur, men der var betydeligt flere lag i den smashing-type end den spearing-type."

Zavattieri tilføjede, at der altid er en afvejning mellem mængden af ​​materiale, der kræves til beskyttelse, og letvægtskapacitet til hurtig implementering, som demonstreret af smasheren.

"At have adgang til en af ​​de mest effektive materialearkitekturer, såsom helicoiden, i forbindelse med en smart geometri, gør dette til endnu en vinderløsning fundet af naturen, " han sagde.

Forskerne afslørede også funktionen af ​​stærkt buede kamme, kaldet carinae, der løber langs telson'en i den knusende mantis ved at udføre mekaniske tests på telson'en samt 3-D-printede kopier af dens struktur.

"Da vi observerede carinae, det var tydeligt, at de stivnede telson langs dens lange akse, " sagde Kisailus. "Men, vi fandt ud af, at carinae også tillod telson at bøje indad, når kræfter blev påført vinkelret på dens lange akse. Dette gjorde det muligt for os at opdage den ikke-indlysende funktion af disse kamme, som skulle absorbere betydelige mængder energi under en strejke. Pablos modeller validerede derefter vores hypoteser."

Zavattieri anvendte simple mekanikprincipper og beregningsmodellering for at forstå carinaes rolle.

"Vi fandt ud af, at disse geometriske træk kan føre til både stivning eller blødgørende strukturel adfærd. Disse konkurrerende mekanismer er i princippet kontraintuitive, og der er stadig mere at lære af disse arter, " sagde Zavattieri. "Desuden, Disse principper kan derefter anvendes til applikationer, hvor letvægtsbeskyttelse er nødvendig."

Kisailus og hans team har inkorporeret resultaterne i udviklingen af ​​meget slagfaste materialer til brug i hjelme og andre strukturelle materialer.

"Det er en meget spændende tid for os, da vi har engageret os med flere enheder, inklusive rumfart, sport, og bilteams, som er interesseret i at implementere denne teknologi, " sagde Kisailus. "To af mine teammedlemmer arbejder i øjeblikket med Air Force Research Labs for at gøre lettere, stærkere materialer."