Conosciuto per il loro potente pugno, i gamberi di mantide possono distruggere un guscio con la forza di un proiettile calibro .22. Eppure, sorprendentemente, queste creature difficili rimangono intatte nonostante le intense onde d’urto create dai loro stessi scioperi.
I ricercatori della Northwestern University hanno scoperto come i gamberi di mantide rimangono impermeabili ai propri pugni. I loro pugni, o club dattili, sono coperti da motivi a strati, che filtrano selettivamente il suono. Bloccando vibrazioni specifiche, i motivi si comportano come uno scudo contro le onde d’urto auto-generate.
Lo studio sarà pubblicato venerdì (7 febbraio) sulla rivista Scienza.
I risultati un giorno potrebbero essere applicati allo sviluppo di materiali sintetici e filtranti del suono per gli attrezzi protettivi e ispirare nuovi approcci alla riduzione delle lesioni legate all’esplosione nell’esercito e nello sport.
“I gamberi di mantide sono noti per il suo sciopero incredibilmente potente, che può rompere i conchiglie di molluschi e persino il vetro dell’acquario di crack”, ha dichiarato Horacio D. Espinosa di Northwestern, autore coordinante dello studio. “Tuttavia, per eseguire ripetutamente questi scioperi ad alto impatto, il club dattilo dei gamberi di mantide deve avere un solido meccanismo di protezione per prevenire l’auto-danno. .
Esperto di materiali bio-ispirati, Espinosa è il professore di James N. e Nancy J. Farley in produzione e imprenditorialità e professore di ingegneria meccanica presso la McCormick School of Engineering di Northwestern, dove dirige l’Istituto per le tecnologie di ingegneria cellulare. Espinosa ha guidato lo studio in collaborazione con M. Abi Ghanem dell’Institute of Light and Matter, un’unità di ricerca congiunta tra Claude-Bernard-Lyon-I University e Center for National Scientific Research in Francia.
Un colpo devastante
Vivendo in acque poco profonde e tropicali, i gamberi di mantide sono armati di un club dattilico simile a un martello su ciascun lato del suo corpo. Questi club immagazzinano energia in strutture elastiche, simili a primaverili, che sono tenute in posizione da tendini simili a chiacchiere. Quando viene rilasciato il fermo, anche l’energia immagazzinata viene rilasciata – spingendo il club in avanti con la forza esplosiva.
Con un solo colpo, i gamberi di mantide possono massacrare preda o difendere il loro territorio dai concorrenti intrecciati. Mentre il punch si strappa attraverso l’acqua circostante, crea una zona a bassa pressione dietro di essa, causando forma di una bolla.
“Quando i gamberi di mantide colpiscono, l’impatto genera onde di pressione sul suo obiettivo”, ha detto Espinosa. “Crea anche bolle, che crollano rapidamente per produrre onde d’urto nella gamma Megahertz. Il crollo di queste bolle rilascia intensi esplosioni di energia, che viaggiano attraverso il club dei gamberi. Questo effetto di onde d’urto secondaria, insieme alla forza di impatto iniziale, rende la mantis lo sciopero dei gamberi ancora più devastante. “
Schemi protettivi
Sorprendentemente, questa forza non danneggia i nervi e i tessuti delicati dei gamberi, che sono racchiusi nella sua armatura.
Per studiare questo fenomeno, Espinosa e colleghi hanno utilizzato due tecniche avanzate per esaminare l’armatura dei gamberi di mantide in dettaglio. Innanzitutto, hanno applicato la spettroscopia a griglia transitoria, un metodo basato su laser che analizza il modo in cui le onde di stress si propagano attraverso i materiali. In secondo luogo, hanno impiegato l’ecografia laser di picosecondi, che forniscono ulteriori approfondimenti sulla microstruttura dell’armatura.
I loro esperimenti hanno rivelato due regioni distinte – ciascuna ingegnerizzate per una funzione specifica – all’interno del club dei gamberi Mantis. La regione di impatto, responsabile della consegna di colpi di frantumazione, è costituita da fibre mineralizzate disposte in un modello di a ossa di aringa, che le danno resistenza al fallimento. Sotto questo strato, la regione periodica presenta fasci di fibre simili a cavatappi intrecciati. Questi fasci formano una struttura bouligand, una disposizione a strati, in cui ogni strato è progressivamente ruotato rispetto ai suoi vicini.
Mentre il modello a spina di pesce rafforza il club contro le fratture, l’accordo di cavatappi governa il modo in cui le onde di stress viaggiano attraverso la struttura. Questo intricato design funge da scudo fononico, filtrando selettivamente le onde di stress ad alta frequenza per impedire alle vibrazioni dannose di propagare di nuovo nel braccio e nel corpo dei gamberi.
“La regione periodica svolge un ruolo cruciale nel filtrare selettivamente le onde di taglio ad alta frequenza, che sono particolarmente dannose per i tessuti biologici”, ha affermato Espinosa. “Ciò protegge efficacemente i gamberi da danni alle onde di stress causate dall’impatto diretto e dal collasso della bolla”.
In questo studio, i ricercatori hanno analizzato simulazioni 2D sul comportamento delle onde. Espinosa ha affermato che sono necessarie simulazioni 3D per comprendere appieno la struttura complessa del club.
“La ricerca futura dovrebbe concentrarsi su simulazioni 3D più complesse per catturare pienamente il modo in cui la struttura del club interagisce con le onde d’urto”, ha affermato Espinosa. “Inoltre, la progettazione di esperimenti acquatici con strumentazione all’avanguardia ci consentirebbe di indagare su come le proprietà fononiche funzionino in condizioni sommerse.”
Lo studio, “I gamberi mantide fanno le valigie uno scudo fononico?” è stato supportato dall’Air Force Office of Scientific Research, dall’Ufficio per la ricerca navale e dalla National Science Foundation.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com