Smarta boxare binder händerna med remsor av tyg för att undvika skador när de packar ett slag. För miljontals år sedan, "smasher" mantis räkor, en av naturens livligaste rovdjur, kom på ett liknande sätt att skydda den hammarliknande klubben som den använder för att pulverisera byten med otrolig hastighet och kraft.

I forskning publicerad idag i Avancerade material , en grupp forskare under ledning av UC Riversides David Kisailus har identifierat en unik struktur som sveper runt mantisräklubben för att skydda den från självförvållad skada när den krossar hårdskaliga byten. Fyndet kommer att hjälpa Kisailus team att utveckla ultrastarka material för flyg- och sportindustrin.

Mantis räkor, som också kallas stomatopods, är aggressiva kräftdjur som är kända för att döda sitt byte med hjälp av en rovslag som är en av de snabbast kända djurrörelserna. Stomatopods är indelade i två grupper:"spjut, "som angriper mjukt byte med hjälp av en harpunliknande struktur, och de nyligen utvecklade "krossarna, "som krossar hårdskaliga byten med hjälp av en hammarliknande bilaga som kallas en dactylklubba.

Kisailus, som är Winston Chung begåvad professor i energiinnovation vid UCR:s Marlan och Rosemary Bourns College of Engineering, har studerat smashers klubbar som inspiration för utvecklingen av nästa generations kompositmaterial. Hans arbete finansieras av ett flygvapenkontor för vetenskaplig forskning under ett forskningsinitiativ på 7,5 miljoner dollar. Kisailus samarbetspartner är Pablo Zavattieri, Professor i samhällsteknik och universitetsfakultetslärare vid Purdue University.

I tidigare forskning har laget visade att daktylklubben är en multiregional komposit gjord av mineraliserat kitin-samma material som finns i skal av insekter och kräftdjur-arrangerat i ett antal unika strukturer. Utsidan av klubben, kallad påverkningsregionen, fungerar som hårt, sprickresistent beläggning som gör att mantisräkorna kan orsaka otroliga skador på sitt byte genom att överföra sin fart vid stöt. Klubbens interiör består av två regioner:den periodiska regionen, en energiabsorberande struktur som sprider sprickor längs en serie långa helikoidala (spiralliknande) fibrer, och den randiga regionen. I det aktuella papperet forskarna visar att den avskalade regionen består av en serie mycket anpassade fibrer som lindar runt klubben och hindrar den från att expandera vid påverkan.

"Vi tror att den fiberförstärkta randiga regionens roll i krossklubben liknar handlindningen som används av boxare när de slåss:att komprimera klubben och förhindra katastrofala sprickor. Tillsammans, inverkan, periodiska och avskalade regioner bildar en klubb med otrolig styrka, hållbarhet och slagmotstånd, "Sa Kisailus.

Kisailus sa att ett liknande avskalat arkitektoniskt element ses i krossarens äldre kusin, spjut, där det är tänkt att förhindra det långa, tunna hullingar från att bli deformerade under penetrerande strejker. Förekomsten av denna struktur i spjutet möjliggjorde troligtvis uppkomsten av krossaren och dess biologiska hammare, en diversifiering som sammanföll med utseendet på hårdskaliga byten med mer sofistikerade försvar. Intressant, de hittade också en liknande struktur i skenbenet i de landbaserade bönsprickorna, tyder på att biologin har använt denna design för liknande funktioner.

Även i tidningen, forskarna avslöjade hur krossaren utför så snabba undervattensattacker, som kan uppstå med hastigheter upp till 23 meter per sekund. Klubbens profil, tillsammans med en angränsande region som kallas propodus, är en hydrodynamisk teardrop -design som minskar motståndet på grund av drag. På grund av denna tårdesign, klubbens acceleration är så stor (större än en kula på 0,22 kaliber) att den klipper vattnet, skapa kavitation (bubblor som imploderar) för att ge en sekundär påverkan på mantisräks byte.

"Intressant, aerodynamiska cykelhjälmar och golfklubbor har redan denna design, tyder på att naturen var ett steg före människor när det gäller att uppnå högpresterande strukturer. Naturvärlden kan ge många fler designledningar som gör att vi kan utveckla högpresterande syntetmaterial, "Sa Kisailus.