龙虾的腹部是作为工业橡胶一样坚韧



翻转在它的后面龙虾,你会看到它的尾巴下面通过时,与屏蔽甲壳动物的其余部分盔甲般的甲壳相比出现相当脆弱的半透明膜连接段被分割。

但工程师在澳门太阳城官网(备用网站)和其他地方已经发现,这种软膜是出奇的强悍,用微观的,分层的,胶合板状结构,使得它非常耐擦伤和割伤。这个看似艰难的薄膜保护龙虾的腹部作为动物越过海底的岩石舷窗。

该膜也是弹性的,在一定程度上,这使得龙虾鞭它的尾巴来回,并且使得难以为一个掠夺者通过尾咀嚼或拉开它。

这种灵活性可以来自以下事实:所述膜是天然水凝胶,90%的水组成。几丁质,在很多贝壳和外骨骼中的纤维材料,以弥补其余的大部分。

小组的研究结果表明,龙虾膜是全天然的水凝胶,包括胶原蛋白,动物皮,和天然橡胶的最艰难的材料。该膜是大约强如工业橡胶复合材料,如那些用于制造汽车轮胎,橡胶软管,和传送带。

龙虾的强硬但有弹性的膜可以作为设计指南更灵活的防弹衣,特别是对人体的流动性很大的地区,如手肘和膝盖。

“我们认为这个工作可以激发灵活装甲设计,”明国,在机械工程在澳门太阳城官网(备用网站)的部门D'arbeloff职业发展助理教授。 “如果你可以把盔甲这些类型的材料,你可以自由地移动你的关节,它会让你感觉更舒服。”

论文全文详细介绍了球队的成绩出现网上二月在日记14 材料学报。 (日记贴在一月的未修正的证明。31)国的共同作者是锦荣四川大学,亮亮屈武和张皓和哈佛大学的飞邓和赵勤,谁是在澳门太阳城官网(备用网站)系的科学家土木与环境工程和纸张的另一资深作者。

柔性防护

郭开始寻找到的龙虾膜的性能在与访客到他的实验室的晚宴。

“他从来没有吃过龙虾,想尝试一下,”郭回忆说。 “虽然肉是很好的,他意识到腹部的透明膜真的难嚼。我们想知道为什么是这种情况。”

而许多研究已经致力于龙虾的独特,盔甲般的外壳,郭发现没有太多知道关于甲壳动物的更软组织。

“当龙虾游泳,它们伸展和移动他们的关节和翻转它们的尾巴真快天敌逃跑,”郭说。 “它们不能完全覆盖在坚硬的外壳 - 他们需要这些柔软的连接。但没有人看着膜之前,这是非常令我们吃惊“。

所以,他和他的同事们着手表征不同寻常的材料的性能。它们切成每个膜切成薄片,其中的每一个它们通过各种实验测试跑。它们放置一些切片在小烘箱中干燥,然后后来测定它们的重量。从这些测量结果,他们估计,90%的龙虾的膜由水,使其成为水凝胶材料。

他们一直等样品中的盐水,以模仿自然的海洋环境。一些这些样品,它们进行机械测试,将各膜在拉伸所述样品的机器,而精确地测量施加的力。他们观察到所述膜最初软盘和容易拉伸,直到它达到约两倍于其初始长度,在该点的材料开始硬化和逐渐变得坚韧,更伸展的能力更强。

“这是生物材料相当独特,”郭说。 “其他许多艰难的水凝胶,你舒展的越多,越软他们。这种应变硬化行为可以让龙虾灵活移动,但是当坏事发生,他们可以变硬和保护自己。”

龙虾的天然胶合板

作为龙虾使得整个海底的方式,它可以刮擦,磨损岩石和沙子。研究人员想知道龙虾的膜会如何弹性是这么小的擦伤和割伤。他们使用了小解剖刀划伤膜样品,然后以同样的方式与完整的膜拉伸它们。

“我们做了划痕模仿时,他们通过沙运动可能发生的事情,例如,”郭说。 “我们甚至通过膜的厚度减少了一半,发现它仍然可以同样牵强附会。如果你这样做与橡胶复合材料,他们将打破“。

研究人员然后放大了用电子显微镜膜的微观结构。他们观察到的非常相似,胶合板的结构。每个膜,测量大约一毫米厚的四分之一,是由层的数万。单个层含有几丁质纤维的无数,类似秸秆细丝,所有定向以相同的角度,精​​确36度从上方纤维层偏移。类似地,胶合板通常由三个或更多个薄木板的层,每个直角面向上方和下方的层层的晶粒。

“当你旋转纤维,一层一层的角度,您在所有方向上强度好,”郭说。 “人们一直在使用在缺陷容忍干燥物料这种结构。但是这是第一次,它已经看到了一个天然的水凝胶“。

秦的带领下,球队也进行了模拟,看到龙虾膜会如何反应,以简单的剪裁,如果它的甲壳素纤维像胶合板排列,与在完全随机取向。要做到这一点,他们首先模拟单一甲壳素纤维,并分配其某些机械性能,如强度和刚度。然后他们再现百万这些纤维的并组装成它们精确地取向的纤维,类似于实际龙虾膜的任完全随机纤维或层组成的膜结构。

“令人吃惊的是有一个平台,使我们能够直接测试,并显示相同的甲壳素纤维是如何产生非常不同的机械性能一旦被内置到各种架构”秦刚说。

最后,研究人员通过两个创建了一个小缺口随机和分层膜和编程势力伸展每个膜。仿真可视化的压力贯穿每个膜。

“在随机膜,应力是人人平等,当你拉伸它,它很快就断裂,”郭说。 “我们发现了分层结构拉伸更多而不会断裂。”

“一个谜是几丁质纤维是如何能够被引导到组装成这样一个独特的分层体系结构,以形成膜龙虾,”秦说。 “我们正在对理解这一机制的工作,并认为这些知识是有用的开发管理为合成材料的微观结构的创新方式。”

除了灵活的防弹衣,郭说,设计模仿龙虾膜材料可能是组织工程中软机器人有用的,以及。如果有的话,该结果能够解释自然界最有弹性的动物之一的生存另眼相看。

“我们认为这个膜结构可能是为什么龙虾一直生活在地球上超过100万年很重要的原因,”郭说。 “不知何故,这个断裂宽容确实帮助他们在他们的发展。”

这项研究得到了支持,部分是由中国国家自然科学基金和高分子材料工程国家重点实验室。