螳螂虾鞍3360 A生物惯性弹簧的生物力学设计用于猛禽攻击

口足类用它们强有力的“爪子”发动了动物界最快的攻击之一。“这种运动学性能是通过一个功率放大器实现的，弹性能量储存在一个鞍形的矿化双层结构中。我们结合一套全面的微观力学测量与有限元建模(FEM)来定量说明鞍生物力学设计。动态纳米尺度试验表明，高矿化层的粘弹性耗散最小，而微悬臂梁的微弯曲试验凸显了双层排列在优化弹性储能中的关键作用。有限元分析结果表明，马鞍形可以防止应力集中，使应力在加载过程中保持在弹性范围内，中性面与双层界面重合，防止界面脱层。这项研究揭示了鞍的多尺度设计背后的耐人寻味的能力，它使用刚性但本质上易碎的材料来存储高密度的弹性能量。

在许多生物系统中，快速的运动学运动是关键的进化特征，尤其是对于逃跑或捕食策略。小型昆虫，如跳颚蚁，会迅速闭合下颚并推动身体(Patek等人，2006年

)，到鳄鱼嘴的强大攻击(Erickson et al .2014

)，以捕捉昆虫的捕蝇机制(Forterre et al .2005)

)，大自然进化出了各种超快的动作。近年来，备受关注的一个突出例子是口足类动物(俗称螳螂虾)的强有力攻击(Patek et al .2004)。

(图1)口足动物是侵略性的甲壳类动物。它们用自己的双足棍棒作为超快速的锤子武器，以高达每秒23米的速度攻击猎物(Patek等人，2004)。

)，对软硬件产生高负载冲击力。

图1孔雀螳螂虾的鞍状结构

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仅靠肌肉不足以提供击球过程中所需的输入能量。因此，腹足动物进化出了鞍状弹簧作为动力放大系统(deVries等人，2012)。

百达翡丽考德威尔，2005年。

Patek等人，2007年

(图1A和1B)输入能量来自肌肉和结缔组织，它们以准静态机制(准静态机制)缓慢而弹性地加载鞍簧。弹性储能的释放为dactyl球杆在击球过程中提供了加速度和动力(图1C) (Patek et al .2007)。

)。理想的弹簧应该是刚性的和可膨胀的，以最大限度地储存弹性能量，但这带来了固有的材料限制，因为从断裂力学的角度来看，这些特性通常是相互排斥的(Ritchie，2011)

在草坪上，1993年

)。在最近的一项研究中，我们发现，为了克服这种限制，口足类动物在介观尺度上进化出了它们的鞍形结构，在微观尺度上由多相生物复合材料组成，并且每一层中的有机/无机比例都得到了优化(图1D和1E)。外层在加载过程中承受压应力，高度矿化，内层承受持续拉应力，含高生物多晶硅相(Tadayon et al .2015)。

)。我们假设这种设计允许弹性能量的最佳存储，同时防止脆性破坏。实际上，承受拉伸应力的层主要由拉伸生物聚合物组成，而强矿化层主要承受压缩应力，因此原则上防止过早断裂，因为矿物(包括生物矿物)在压缩时脆性小得多(Meyers等人，2006)。

)。

然而，鞍座机械设计的定量分析仍然缺乏，空间相位分布和双层结构如何转化为连续介质水平上的宏观响应尚不清楚。此外，双层结构能以最小的粘弹性耗散最大限度地储存弹性能量的实验结论还有待建立。在这项研究中，我们试图通过实验和数值来回答这些基本问题。我们设计了具体的微纳米力学实验，提取各层的弹塑性特征和粘弹性耗散，生物多晶硅相的拉伸曲线，及其弯曲响应。

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