Невероятную силу удара ротоногих раков объяснили керамическими пружинами

Клешни раков-богомолов наносят удары, сила которых сравнима с ударом пули за счет элегантной седловидной структуры сустава, накапливающей энергию в «керамической пружине». 

Морские раки-богомолы известны как обладатели фантастически сложного «тринокулярного» зрительного аппарата. Он включает ветвистые фасеточные глаза и от 12 до 16 типов светочувствительных рецепторов, способен подстраиваться к спектру среды, различать мириады цветов от инфракрасного до ультрафиолета плюс разные формы поляризации света. Зрение этих ротоногих настолько великолепно, что отдельное объяснение требуется даже тому, зачем им вообще необходима такая сложность. 

Но удивление вызывают и их бойцовские способности. Клешни некоторых раков-богомолов, как задние конечности кузнечика, способны накапливать упругую энергию и высвобождать ее с взрывной скоростью, ускоряясь до 23 м/с. Такой удар легко нанесет увечья и человеку: его энергия сопоставима с энергией пули 22-го калибра. Ученые лишь теперь поняли, как небольшие клешни ротоногих способны накопить достаточно мощности. Об этом сингапурские исследователи сообщают в статье, опубликованной в журнале iScience.

«Боевые» клешни ротоногого действуют на манер пружины. Работа мощных мышц, прикрепленных к прочной, но упругой седловидной структуре сустава, заставляет ее деформироваться, накапливая энергию. Устройство и биомеханику удара исследовали Али Майсерез (Ali Miserez) и его коллеги из Наньянского технологического университета. Авторы отметили, что седловидная форма сустава обеспечивает равномерное распределение нагрузки почти по всей площади, без каких-либо «слабых мест».

Но главным секретом ротоногих оказалась двухслойная структура суставного «седла»: упругий слой биополимеров в нем сочетается со слоем высокоминерализированной ткани. Такая минерализированная керамика не самый очевидный материал для пружины. Однако ученые выяснили, что при деформации седло изгибается так, что его верхний «керамический» слой сжимается, а нижний, эластичный растягивается. Керамика весьма хрупка при растяжении или на изгибе, но к сжатию устойчива, а за счет своей прочной кристаллической решетки способна накапливать исключительное количество энергии. Второй полимерный слой деформируется легко и обеспечивает целостность всей структуры.

В отличие от зрительного аппарата ротоногих, биомеханику их клешней можно воспроизвести на современном уровне развития технологий. Вероятно, уже вскоре мы увидим такие седловидные двуслойные механизмы и у роботов — миниатюрных, но не менее боевитых, чем сами раки-богомолы.