Hoe bescherm je jezelf tegen het perfecte slagwapen? Je ontwikkelt het perfecte schild.

Als je een bidsprinkhaangarnaal bent met een knotsachtige arm die sterk genoeg is om clamshells te kraken, je kunt maar beter geen ruzie krijgen met je vrienden. Maar de kleine schaaldieren, tussen de meest woeste wezens van de oceaan, kan het niet laten om naar elkaar te swipen over habitat, dus ontwikkelden ze een gespecialiseerd schild in hun staartsegment, een telson genaamd, dat de slagen absorbeert. De telson is een meerschalige structuur met richels aan de buitenkant en een structuur in de vorm van een wenteltrap aan de binnenkant. Het inspireert een nieuwe klasse van lichtgewicht, slagvaste materialen voor helmen, auto's, en meer.

Onderzoek onder leiding van David Kisailus, de Winston Chung bijzonder hoogleraar energie-innovatie aan het Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering van UC Riverside; en Pablo Zavattieri, een professor en universitaire faculteitswetenschapper aan Purdue's Lyles School of Civil Engineering hebben het geheim van de telson ontgrendeld - met het oog op het creëren van betere materialen voor sport, ruimtevaart, en tal van andere toepassingen.

Kisailus, wiens lab biologische composietstructuren onderzoekt als inspiratie voor nieuwe materialen, zei een paper van Sheila Patek van Duke University over het vermogen van de telson om energie te absorberen, inspireerde hem om de rol te onderzoeken van architectonische kenmerken op meerdere schaalniveaus op de slagvastheid.

Sommige soorten bidsprinkhaangarnalen, smashers genoemd vanwege hun krachtige dactylclub, holtes in koraalriffen bewonen. De concurrentie om het beperkte aantal geschikte grotten is hevig en de bidsprinkhanen gebruiken hun telson om zichzelf te beschermen tegen verwoestende slagen. Minder agressieve soorten bidsprinkhaangarnalen, speerwerpers genoemd - naar het aanhangsel dat ze gebruiken om prooien te steken - hebben ook een telson. Spearers leven in het zand, die overvloedig is, en hebben dus minder conflicten over leefgebied.

Kisailus, de hoofdonderzoeker van een multi-universitaire beurs gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research, en zijn team begonnen de studies van zowel de grootschalige architectuur als de interne structuur van beide typen telson en onderwierpen elk aan mechanische tests. Ze vonden een spiraalvormige structuur binnen dit gespecialiseerde schild die voorkomt dat scheuren groeien en uiteindelijk aanzienlijke hoeveelheden energie van stakingen afvoert om catastrofale mislukking te voorkomen. de spiraalvormige, of gedraaid multiplex-achtige, De structuur is vergelijkbaar met een die de onderzoekers eerder identificeerden in de dactyl-club van de smasher waarmee hij clamshells kan kraken zonder zichzelf te breken.

"Al meer dan een decennium we hebben de dactyl-club van het spetterende type bidsprinkhaangarnaal bestudeerd. We realiseerden ons dat als deze organismen elkaar met zulke ongelooflijke krachten zouden raken, het telson moet zo zijn ontworpen dat het als het perfecte schild fungeert, " zei Kisailus. "We ontdekten dat niet alleen de telson van de smasher de helicoïde microstructuur bevatte, maar er waren aanzienlijk meer lagen in het smashing-type dan het spearing-type."

Zavattieri voegde toe dat er altijd een afweging is tussen de hoeveelheid materiaal die nodig is voor bescherming en lichtgewicht capaciteit voor snelle inzet, zoals aangetoond door de smasher.

"Toegang hebben tot een van de meest efficiënte materialenarchitecturen, zoals de helicoïde, in combinatie met een slimme geometrie, maakt dit een andere winnaarsoplossing die door de natuur is gevonden, " hij zei.

De onderzoekers onthulden ook de functie van sterk gebogen richels, genaamd carinae, die over de lengte van de telson lopen in de spetterende bidsprinkhaan door mechanische tests op de telson uit te voeren, evenals 3D-geprinte replica's van de structuur.

"Toen we de carinae observeerden, het was duidelijk dat ze de telson langs zijn lange as verstevigden, "Zei Kisailus. "Echter, we ontdekten dat de carinae de telson ook in staat stelde naar binnen te buigen wanneer krachten loodrecht op zijn lange as werden uitgeoefend. Dit stelde ons in staat om de niet voor de hand liggende functie van deze richels te ontdekken, die was om aanzienlijke hoeveelheden energie te absorberen tijdens een staking. Pablo's modellen valideerden vervolgens onze hypothesen."

Zavattieri paste eenvoudige mechanische principes en computationele modellering toe om de rol van de carinae te begrijpen.

"We ontdekten dat deze geometrische kenmerken kunnen leiden tot zowel versteviging als verzachting van structureel gedrag. Deze concurrerende mechanismen zijn in principe contra-intuïtief, en er valt nog meer te leren van deze soorten, "zei Zavattieri. "Bovendien, deze principes kunnen vervolgens worden toegepast op toepassingen waar lichtgewicht bescherming tegen stoten nodig is."

Kisailus en zijn team hebben de bevindingen verwerkt in de ontwikkeling van zeer slagvaste materialen voor gebruik in helmen en andere structurele materialen.

"Het is een zeer opwindende tijd voor ons, aangezien we met meerdere entiteiten hebben samengewerkt, inclusief ruimtevaart, sport, en autoteams, die geïnteresseerd zijn in het implementeren van deze technologie, "Zei Kisailus. "Twee van mijn teamleden werken momenteel samen met de Air Force Research Labs om lichtere, sterkere materialen."