Hur skyddar du dig från det perfekta slagvapnet? Du utvecklar den perfekta skölden.

Om du är en mantisräka med en klubbliknande arm som är tillräckligt tuff för att knäcka musslor, du ska inte hamna i några slagsmål med dina kompisar. Men de små kräftdjuren, bland havets häftigaste varelser, kan inte motstå att svepa mot varandra över livsmiljön, så de utvecklade en specialiserad sköld i sitt svanssegment som kallas en telson som absorberar slagen. Telson är en flerskalig struktur med åsar på utsidan och en struktur formad som en spiraltrappa på insidan. Det inspirerar en ny klass av lättvikts, slagtåliga material för hjälmar, bilar, och mer.

Forskning ledd av David Kisailus, Winston Chung begåvad professor i energiinnovation vid UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering; och Pablo Zavattieri, en professor och University Faculty Scholar vid Purdues Lyles School of Civil Engineering har avslöjat telsons hemlighet – med ett öga på att skapa bättre material för sport, flyg, och en mängd andra applikationer.

Kisailus, vars labb undersöker biologiska kompositstrukturer som inspiration för nya material, sa en tidning av Duke Universitys Sheila Patek om telsons förmåga att absorbera energi, inspirerade honom att undersöka vilken roll flerskaliga arkitektoniska egenskaper har för slagtålighet.

Vissa arter av mantisräkor, kallas smashers på grund av deras kraftfulla daktylklubba, bor i håligheter i korallrev. Konkurrensen om det begränsade antalet lämpliga grottor är hård och bönsyrsorna använder sin telson för att skydda sig från förödande slag. Mindre aggressiva typer av mantisräkor, kallade spjutare — efter bihanget de använder för att sticka byten — har också en telson. Spearers bor i sanden, som är rikligt, och har därmed färre konflikter om livsmiljön.

Kisailus, den ledande forskaren för ett multiuniversitetsbidrag finansierat av Air Force Office of Scientific Research, och hans team initierade studierna av både storskalig arkitektur och den interna strukturen för båda typerna av telson och utsatte var och en för mekanisk testning. De hittade en spiralformad struktur inom denna specialiserade sköld som förhindrar sprickor från att växa och slutligen försvinner betydande mängder energi från strejker för att undvika katastrofala misslyckanden. Den helikoida, eller vriden plywoodliknande, strukturen liknar en som forskarna tidigare identifierat i smashers daktylklubba som gör att den kan knäcka musslor utan att gå sönder.

"I över ett decennium, vi har studerat daktylklubban av den smashing typen av mantisräkor. Vi insåg att om dessa organismer slog varandra med så otroliga krafter, Telson måste vara utformad på ett sådant sätt att den fungerar som den perfekta skölden, " sa Kisailus. "Vi upptäckte att inte bara smasherns telson innehöll den spiralformiga mikrostrukturen, men det fanns betydligt fler lager i smashing-typen än spearing-typen."

Zavattieri tillade att det alltid finns en avvägning mellan mängden material som krävs för skydd och lättviktskapacitet för snabb utplacering som demonstreras av smasher.

"Att ha tillgång till en av de mest effektiva materialarkitekturerna, såsom helicoiden, i kombination med en smart geometri, gör detta till en annan vinnarlösning som finns av naturen, " han sa.

Forskarna avslöjade också funktionen hos mycket böjda åsar, kallas carinae, som löper längden på telson i smashing mantis genom att utföra mekaniska tester på telson såväl som 3-D-utskrivna kopior av dess struktur.

"När vi observerade karinae, det var uppenbart att de förstyvade telson längs dess långa axel, " sade Kisailus. "Men, vi fann att karinae också tillät telson att böja sig inåt när krafter applicerades vinkelrätt mot dess långa axel. Detta gjorde det möjligt för oss att upptäcka den icke-uppenbara funktionen hos dessa åsar, som skulle absorbera betydande mängder energi under en strejk. Pablos modeller validerade sedan våra hypoteser."

Zavattieri tillämpade enkla mekanikprinciper och beräkningsmodellering för att förstå karinaernas roll.

"Vi fann att dessa geometriska egenskaper kan leda till både förstyvning eller mjukgörande strukturella beteenden. Dessa konkurrerande mekanismer är i princip kontraintuitiva, och det finns fortfarande mer att lära av dessa arter, sade Zavattieri. Dessutom, dessa principer kan sedan tillämpas på applikationer där lätta stötskydd behövs."

Kisailus och hans team har införlivat resultaten i utvecklingen av mycket slagtåliga material för användning i hjälmar och andra strukturella material.

"Det är en mycket spännande tid för oss eftersom vi har engagerat oss med flera enheter, inklusive flyg, sporter, och fordonsteam, som är intresserade av att implementera denna teknik, " sa Kisailus. "Två av mina teammedlemmar arbetar för närvarande med Air Force Research Labs för att göra lättare, starkare material."