Vänd en hummer på ryggen, och du kommer att se att undersidan av svansen är delad i segment som är förbundna med ett genomskinligt membran som verkar ganska sårbart jämfört med det pansarliknande ryggskölden som skyddar resten av kräftdjuret.

Men ingenjörer vid MIT och på andra håll har upptäckt att detta mjuka membran är förvånansvärt tufft, med en mikroskopisk, skiktade, plywoodliknande struktur som gör den anmärkningsvärt tolerant mot repor och skärsår. Denna bedrägligt tuffa film skyddar hummerns mage när djuret smyger sig över den steniga havsbotten.

Membranet är också stretchigt, till en viss grad, som gör det möjligt för hummern att piska svansen fram och tillbaka, och gör det svårt för ett rovdjur att tugga genom svansen eller dra isär den.

Denna flexibilitet kan komma från det faktum att membranet är en naturlig hydrogel, består av 90 procent vatten. Kitin, ett fibröst material som finns i många skal och exoskelett, utgör det mesta av resten.

Teamets resultat visar att hummermembranet är det tuffaste materialet av alla naturliga hydrogeler, inklusive kollagen, djurskinn, och naturgummi. Membranet är ungefär lika starkt som industriella gummikompositer, som de som används för att tillverka bildäck, trädgårdsslangar, och transportband.

Hummerns tuffa men ändå stretchiga membran kan fungera som en designguide för mer flexibel kroppsrustning, speciellt för mycket rörliga delar av kroppen, såsom armbågar och knän.

"Vi tror att det här arbetet kan motivera flexibel pansardesign, "säger Ming Guo, d'Arbeloff Karriärutvecklingsassistent vid avdelningen för maskinteknik vid MIT. "Om du kunde göra rustning av dessa typer av material, du kunde fritt röra dina leder, och det skulle få dig att känna dig mer bekväm."

Hela papper som beskriver teamets resultat dök upp online den 14 februari i tidskriften Acta Materialia. (Tidskriften publicerade ett okorrigerat bevis den 31 januari.) Guos medförfattare är Jinrong Wu och Hao Zhang från Sichuan University, Liangliang Qu och Fei Deng vid Harvard University, och Zhao Qin, som är forskare vid MIT Department of Civil and Environmental Engineering och en annan senior författare till artikeln.

Flexibelt skydd

Guo började titta på egenskaperna hos hummermembranet efter en middag med en besökare till hans labb.

"Han hade aldrig ätit hummer förut, och ville prova, " minns Guo. "Medan köttet var mycket gott, han insåg att magen genomskinliga membran var riktigt svårt att tugga. Och vi undrade varför det var så."

Även om mycket forskning har ägnats åt hummerns särart, pansarliknande skal, Guo fann att det inte var mycket känt om kräftdjurets mjukare vävnader.

"När hummer simmar, de sträcker och rör sina leder och vänder svansen riktigt snabbt för att fly från rovdjur, " säger Guo. "De kan inte täckas helt av ett hårt skal – de behöver dessa mjukare anslutningar. Men ingen har tittat på membranet tidigare, vilket är mycket överraskande för oss."

Så han och hans kollegor började karakterisera egenskaperna hos det ovanliga materialet. De skär varje membran i tunna skivor, var och en av dem gick igenom olika experimentella tester. De lade några skivor i en liten ugn för att torka, sedan mätte de deras vikt. Från dessa mätningar, de uppskattade att 90 procent av hummerns membran består av vatten, vilket gör det till ett hydrogelmaterial.

De förvarade andra prover i saltvatten för att efterlikna en naturlig havsmiljö. Med några av dessa prover, de utförde mekaniska tester, placera varje membran i en maskin som sträcker ut provet, samtidigt som man exakt mäter den applicerade kraften. De observerade att membranet från början var diskett och lätt sträckt, tills den nådde ungefär två gånger sin ursprungliga längd, då började materialet stelna och blev successivt segare och mer motståndskraftigt mot sträckning.

"Detta är ganska unikt för biomaterial, " Guo noterar. "För många andra tuffa hydrogeler, ju mer du stretchar, ju mjukare de är. Detta töjningsstyvnande beteende kan tillåta hummer att röra sig flexibelt, men när något dåligt händer, de kan stelna och skydda sig själva."

Hummers naturliga plywood

När en hummer tar sig över havsbotten, den kan skrapa mot slipande stenar och sand. Forskarna undrade hur motståndskraftig hummerns membran skulle vara mot sådana små skrapsår och skärsår. De använde en liten skalpell för att repa membranproverna, sträckte dem sedan på samma sätt som de intakta hinnorna.

"Vi gjorde repor för att efterlikna vad som kan hända när de rör sig genom sand, till exempel, "Guo förklarar." Vi skar till och med halva tjockleken på membranet och fann att det fortfarande kunde sträckas lika långt. Om du gjorde detta med gummikompositer, de skulle gå sönder."

Forskarna zoomade sedan in på membranets mikrostruktur med hjälp av elektronmikroskopi. Vad de observerade var en struktur mycket lik plywood. Varje membran, mäter ungefär en kvarts millimeter tjock, består av tiotusentals lager. Ett enda lager innehåller otaliga kitinfibrer, som liknar halmfilament, alla orienterade i samma vinkel, exakt 36 grader förskjutet från fiberskiktet ovanför. Liknande, plywood är vanligtvis gjord av tre eller fler tunna lager av trä, kornen i varje lager orienterad i rät vinkel mot lagren ovanför och under.

"När du roterar fibrernas vinkel, lager på lager, du har bra styrka åt alla håll, "Guo säger." Folk har använt denna struktur i torra material för defekttolerans. Men det här är första gången det har setts i en naturlig hydrogel."

Leds av Qin, Teamet genomförde också simuleringar för att se hur ett hummermembran skulle reagera på ett enkelt snitt om dess kitinfibrer var inriktade som plywood, kontra i helt slumpmässiga orienteringar. Att göra detta, de simulerade först en enda kitinfiber och tilldelade den vissa mekaniska egenskaper, såsom styrka och styvhet. De reproducerade sedan miljoner av dessa fibrer och satte ihop dem till en membranstruktur bestående av antingen helt slumpmässiga fibrer eller lager av exakt orienterade fibrer, liknande det verkliga hummermembranet.

"Det är fantastiskt att ha en plattform som tillåter oss att direkt testa och visa hur identiska kitinfibrer ger väldigt olika mekaniska egenskaper när de väl är inbyggda i olika arkitekturer", säger Qin.

Till sist, forskarna skapade ett litet hack genom både slumpmässiga och skiktade membran, och programmerade krafter för att sträcka varje membran. Simuleringen visualiserade spänningen genom varje membran.

"I det slumpmässiga membranet, stressen var lika stor, och när du sträckte ut den, det sprack snabbt, " säger Guo. "Och vi fann att den skiktade strukturen sträckte sig mer utan att gå sönder."

"Ett mysterium är hur kitinfibrerna kan styras att monteras till en så unik skiktad arkitektur för att bilda hummermembranet, " säger Qin. "Vi arbetar för att förstå denna mekanism, och tror att sådan kunskap kan vara användbar för att utveckla innovativa sätt att hantera mikrostrukturen för materialsyntes. "

In addition to flexible body armor, Guo says materials designed to mimic lobster membranes could be useful in soft robotics, as well as tissue engineering. If anything, the results shed new light on the survival of one of nature's most resilient creatures.

"We think this membrane structure could be a very important reason for why lobsters have been living for more than 100 million years on Earth, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.