口足類動物用它們強大的“手指和爪子”發(fā)起了動物界最快的攻擊之一。“這種運動學(xué)性能是通過功率放大器實現(xiàn)的，彈性能量儲存在鞍形礦化雙層結(jié)構(gòu)中。我們將一組全面的微觀力學(xué)測量與有限元建模(FEM)相結(jié)合，以定量闡明鞍座的生物力學(xué)設(shè)計。動態(tài)納米尺度試驗表明，高礦化層的粘彈性耗散最小，而微懸臂梁的微彎曲試驗則凸顯了雙層布置在優(yōu)化彈性儲能中的關(guān)鍵作用。有限元分析結(jié)果表明，鞍形可以防止應(yīng)力集中，加載時應(yīng)力保持在彈性范圍內(nèi)，中性面與雙層界面重合，從而防止界面脫層。這項研究揭示了馬鞍多尺度設(shè)計背后的迷人能力，使用剛性但本質(zhì)上易碎的材料來儲存高密度彈性能量。
在許多生物系統(tǒng)中，快速運動學(xué)是一個關(guān)鍵的進化特征，尤其是對于逃跑或捕食策略。從很小的時候起，昆蟲，如跳顎螞蟻，就會迅速合上它們的顎并推動它們的身體(Patek等人，2006年
)，向鱷魚嘴強力攻擊(Eriksson等，2014
)捕捉昆蟲(Forterre等人，2005年)
)，大自然進化出了各種超快運動。近年來備受關(guān)注的一個突出例子是dactyl Club (Patek等人，2004年)對口足類動物(俗稱螳螂蝦)的蠻力攻擊。
(圖1)口足類動物是攻擊性甲殼類動物。它們用自己的兩指肢棒作為超快速錘武器，以高達每秒23米的速度攻擊獵物(Patek等人，2004)。
)，這對軟件和硬件具有高負載影響。
圖1孔雀螳螂蝦的鞍狀結(jié)構(gòu)
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僅靠肌肉不足以提供擊球過程中所需的輸入能量。因此，opod發(fā)展了一種鞍形彈簧作為功率放大系統(tǒng)(deVries等人，2012年)。
和百達翡麗考德威爾，2005年。
Patek等人，2007年
)(圖1A和1B)輸入能量來自肌肉和結(jié)締組織，它們用準(zhǔn)靜態(tài)機構(gòu)緩慢而彈性地加載鞍形彈簧(準(zhǔn)靜態(tài)機構(gòu))，彈性儲存能量的釋放在擊打過程中為手指球桿提供加速度和動力(圖1C) (Patek等人，2007)
)。理想的彈簧應(yīng)該是剛性和可膨脹的，以最大限度地儲存彈性能量，但這帶來了固有的材料限制，因為從斷裂力學(xué)的角度來看，這些特性通常是互斥的(Ritchie，2011)。
在草坪上，1993年
)。在最近的一項研究中，我們發(fā)現(xiàn)，為了克服這一限制，口足類動物在中觀尺度上進化出了它們的鞍形結(jié)構(gòu)，這些鞍形結(jié)構(gòu)在微觀尺度上由多相生物材料組成，并且每一層中的有機/無機比例都得到了優(yōu)化(圖1D和1E)。外層在加載過程中處于壓縮應(yīng)力下，這是高度礦化的，而內(nèi)層處于連續(xù)拉伸應(yīng)力下，這包含高生物多晶硅相(Tadayon等人，2015年)。
)。我們假設(shè)這種設(shè)計允許最好地儲存彈性能量，同時防止脆性破壞。實際上，受拉應(yīng)力的層主要由拉伸生物聚合物組成，而強礦化層主要受壓應(yīng)力，因此原則上防止過早斷裂，因為礦物(包括生物礦物)在壓縮時脆性小得多(Meyers等人，2006)。
)。
然而，鞍形機械設(shè)計的定量分析仍然缺乏，空間相分布和雙層結(jié)構(gòu)如何在連續(xù)介質(zhì)層面轉(zhuǎn)化為宏觀響應(yīng)尚不清楚。此外，雙層結(jié)構(gòu)能夠以最小的粘彈性耗散最大限度地存儲彈性能量的實驗結(jié)論仍有待建立。在這項研究中，我們試圖用實驗和數(shù)字來回答這些基本問題。我們設(shè)計了具體的微納米力學(xué)實驗，提取各層的彈塑性特征和粘彈性耗散、生物多晶硅相的拉伸曲線及其彎曲響應(yīng)。
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