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螳螂虾鞍的生物力学设计:一种用于快速猛禽攻击的生物惯性弹簧

发布时间:2019-05-13 17:34 来源:未知 编辑:admin

  口足类动物用它们强大的“指爪”策动了动物王国中最快的攻击之一。“这种活动学机能是通过功率放大安装实现的,弹机能量存储在鞍形矿化双层布局中。我们将一套分析的微机械丈量与无限元建模(FEM)相连系,定量地阐明鞍状生物力学设想。动态纳米标准试验表白,高矿化层的粘弹性耗散最小,而微型悬臂梁的微弯曲试验则凸起了双层安插在优化弹机能量存储中的环节感化。无限元阐发成果表白,马鞍外形能够防止应力集中,在加载过程中应力连结在弹性范畴内,中性概况与双层界面重合,防止界面分层。该研究揭示了马鞍的多标准设想背后的耐人寻味的能力,储存高密度的弹机能量利用刚性但素质上脆的材料。

  在很多生物系统中,快速活动学活动是环节的进化特征,特别是用于逃跑或捕食策略。从小虫豸,如跳颚蚂蚁敏捷封闭它的下颚推进身体(Patek等人,2006年

  ),到鳄鱼嘴强无力的攻击(埃里克森等人,2014年

  ),大天然曾经进化出各类超快活动。近年来备受关心的一个凸起例子是口足类动物(凡是称为螳螂虾)dactyl俱乐部(Patek et al., 2004)的强力攻击

  (图1)口足类动物是侵略性的甲壳类动物,它们将它们的二指肢棒作为超快的锤状兵器,以高达每秒23米的速度攻击猎物(Patek et al., 2004)

  ),对软硬体发生高负荷冲击力。

  图1孔雀螳螂虾的鞍状布局

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  仅靠肌肉不足以供给冲击过程中所需的输入能量。因而,口足动物进化出了一种鞍形弹簧,作为功率放大系统(deVries et al., 2012)

  帕特克和考德威尔,2005年

  )(图1A及1B)输入的能量来自于肌肉和结缔组织,这些肌肉和结缔组织以一种准静态机制迟缓而弹性地加载鞍形弹簧(准静态机制),弹性储存能量的释放在冲击过程中为dactyl俱乐部供给加快和动力(图1C) (Patek et al., 2007)

  )。抱负的弹簧该当是刚性和可扩展的,以最大限度地存储弹机能量,但这带来了固有的材料限制,由于从断裂力学的角度来看,这些特征凡是是彼此排斥的(Ritchie, 2011)

  )。在比来的一项研究中,我们发觉,为了降服这一限制,口足类动物曾经在中标准长进化出了它们的鞍状布局,它是由微标准上的多相生物复合材料形成的,每一层中无机/无机比例都获得了优化(图1D和1E)。外层在加载过程中遭到压应力,是高度矿化的,而内层是持续拉伸应力,含有较高的生物多晶硅相(Tadayon et al., 2015)

  )。我们假设这种设想答应弹机能量的最佳存储,同时防止脆性粉碎。现实上,受拉伸应力感化的条理要由抗张拉生物聚合物构成,而强矿化条理要受压应力感化,因而准绳上防止过早断裂,由于矿物(包罗生物矿物)在压缩时的脆性要小得多(Meyers et al., 2006)

  然而,对鞍座力学设想的定量阐发还很缺乏,空间相位分布和双层布局若何在持续介质程度上转化为宏观响应还不清晰。此外,还有待于成立双层布局以最小的粘弹性耗散来最大限度地储存弹机能量的尝试结论。在这项研究中,我们试图从尝试和数值上回覆这些根基问题。我们设想了特定的微、纳米力学尝试,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,以及其弯曲响应

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