Science：这种“拳王”虾，如何做到伤人不伤己？

材料

作者：X-MOL

2025-02-21

有一种虾，尽管体长通常只有10厘米左右，却可以敲碎贝壳，击断螃蟹大鳌，甚至将人的手指击破、指骨击碎。它的出“拳”力度最大值可达1500 N，超过其体重的1000倍，加速度最高可达102000 m s-2，是重力加速度的10000倍 [1]。它就是——拇指分裂器•贝类终结者•蟹见愁•海中“拳王”——螳螂虾。

图片来源于网络 [2]

大家都知道，力的作用是相互的。如果有读者曾不小心用拳头打到过坚硬物体，肯定会对这一规则有深层次的理解。奇怪的是，这么强的冲击力下，打击对象还是有着坚硬外壳的贝类及蟹类，螳螂虾竟然不会受到反作用力的反噬。为什么只有被打的疼，出“拳”的啥事没有？牛顿爵爷的棺材盖快要盖不住了……

螳螂虾高速锤击物体。图片来源：J. Exp. Biol.[1]

近日，美国西北大学H. D. Espinosa课题组和法国里昂第一大学M. Abi Ghanem课题组合作在Science 杂志上发表论文，他们利用快速激光超声技术和数值模拟，揭示了螳螂虾指节锤部分独特的多尺度结构在声子屏蔽（phononic shielding）中发挥了关键作用，可以有效且选择性地过滤螳螂虾击打其他动物时产生的有害高频应力波，从而减轻自己受到的伤害。

螳螂虾指节锤部分由三层微观结构组成：冲击表面、冲击区域和周期区域。冲击表面是一层厚度~70 μm、硬度~60 GPa的羟基磷灰石层；冲击区域由矿化的几丁质纤维组成，呈鱼骨状结构，这种结构通过扩展裂纹、裂纹遏制和裂纹偏转来实现能量耗散；周期区域由几丁质纤维束组成，具有空间梯度的Bouligand排列。

螳螂虾指节锤的多尺度微观结构。图片来源：Science [3]

研究者采用纳秒和皮秒泵浦-探测激光超声技术以及有限元分析，探索了不同声学尺度下表面声波的传播特性，该技术对横波非常敏感。有趣的是，周期区域中Bouligand排列具有独特的螺旋状结构，主要影响剪切波传播，对纵波影响较小。实验和计算结果表明，多尺度分层结构导致了多种色散效应，呈现出复杂的声学行为。

螳螂虾指节锤及其声子行为表征方法。图片来源：Science

表面声波的频率沿z方向，从锤击区域到周期性区域逐渐降低：冲击区域表现为单一模式，相速度为2380 m/s；而周期区域则表现出复杂的行为，包括两种主要模式，即表面掠纵波（SSL）和瑞利波（Rayleigh Wave），其平均相速度分别为3450 m/s和1540 m/s。前者主要是纵波模式，传播速度较快且无色散，而后者是纵波和横波的组合，传播速度较慢且具有色散特性。

螳螂虾指节锤的超声波声子色散。图片来源：Science

随后，研究者采用有限元模型模拟了表面声波在周期区域的传播过程。结果显示，在25 MHz以上，出现了重复的平行传播线，而在25 MHz以下，波形则呈现出特征性的分支折叠。这种周期性重复模式跨越了多个布里渊区，并且随着周期区域螺距的减小，重复的数量也减少。与实验数据对比：1）模型预测的相速度与实验测量的两种波的相速度高度吻合；2）瑞利波表现出Bloch谐波模式，即波函数可以分解为一个平面波和一个周期性调制因子的乘积，而SSL波的Bloch谐波较弱；3）随着周期区域螺距的减小，Bloch谐波之间的波数间距（Δk）增加。

声子色散的有限元模拟。图片来源：Science

在螺距微结构中，对于纵向应力波，输入和输出的应力谱重叠，表明没有显著的过滤效果；而对于剪切波，频谱图则显示出显著变化。信号能量计算表明，100%的输入压力脉冲通过单螺距后和梯度螺距结构后，仅剩66%和43%的剪切脉冲能量。剪切波是导致组织和器官损伤的重要因素，如割伤、挫伤、骨折等。Bouligand排列结构对剪切波的选择性过滤，能够有效缓解这些不利影响，保护螳螂虾的软组织免受高频剪切波损伤，促进局部能量的耗散，更具有进化优势。同时，该研究也为声子的布拉格散射机制提供了有力证据。

螳螂虾的微结构过滤冲击波。图片来源：Science

“螳螂虾以其令人难以置信的强大力量而闻名，能够打破软体动物的贝壳甚至水族馆的玻璃。如此巨大的力量，其自身必定存在强大的保护机制，以防止被冲击波反噬”，Horacio Espinosa教授说，“我们的研究发现，基于生物体自身结构的选择性滤波机制，能够有效防止软组织损伤，周期区域在选择性过滤高频剪切波中发挥了至关重要的作用” [4]。另一位通讯作者Abi Ghanem教授补充道，“这项关于自然界的研究让我们更深入地理解了结构与冲击波之间的相互作用关系，对于未来更复杂的周期性材料设计与3D模拟具有重要的应用价值” [5]。

椒盐皮皮虾的做法，越嚼越香。图片来源于网络

尽管螳螂虾堪称海中“拳王”，但破坏力也只能对小型动物效果显著，对大型动物则构不成威胁。武力值天花板——孔雀螳螂虾，据说可以击碎指骨，这已经是它们上限了。相信绝大多数读者在遇到它们这一类动物时，它们都是出现在盘子里。不说了，怎么还饿了呢？

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Does the mantis shrimp pack a phononic shield?

N. A. Alderete, S. Sandeep, S. Raetz, M. Asgari, M. Abi Ghanem, H. D. Espinosa

Science 2025, 387, 659-666. DOI: 10.1126/science.adq7100

参考文献：

[1] S. N. Patek & R. L. Caldwell, Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp Odontodactylus scyllarus. J. Exp. Biol. 2005, 208, 3655-3664. DOI: 10.1242/jeb.01831

[2] https://www.youtube.com/watch?v=8enojiJCD00

[3] J. C. Weaver, et al. The Stomatopod Dactyl Club: A Formidable Damage-Tolerant Biological Hammer. Science 2012, 336, 1275-1280. DOI: 10.1126/science.1218764

[4] Mantis shrimp clubs filter sound to mitigate damage

https://news.northwestern.edu/stories/2025/02/mantis-shrimp-clubs-filter-sound-to-mitigate-damage/

[5] Nature NEWS: Mantis shrimp have the world’s fastest punch — here’s how their limbs survive

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00386-8

（本文由小希供稿）