در طبیعت، موجودات بسیاری به مکانیسم‌های دفاعی و تهاجمی منحصربه‌فرد مجهز شده‌اند، اما هیچ‌کدام به اندازه‌ی میگوی مانتیس (Mantis Shrimp) قدرت وارد آوردن ضربه‌های قدرتمند و مرگبار را ندارند. این سخت‌پوست رنگارنگ، علی‌رغم اندازه‌ی کوچک خود، قادر است ضربه‌ای با سرعت ۲۳ متر بر ثانیه به طعمه‌اش وارد کند، نیرویی که برابر با ۱۵۰۰ نیوتن است و به‌راحتی صدف‌های سخت نرم‌تنان را در هم می‌شکند.

این مشت قدرتمند نه‌تنها برای شکستن صدف‌ها کافی است، بلکه حتی می‌تواند شیشه‌ی آکواریوم را ترک بدهد! اما این سؤال مدت‌ها ذهن دانشمندان را درگیر کرده بود که چگونه خود این میگو، علی‌رغم وارد کردن چنین ضربات سهمگینی، صدمه‌ای نمی‌بیند؟ از نظر فیزیکی، هر ضربه‌ای که به یک جسم وارد شود، واکنشی به همان میزان به سمت منبع ضربه وارد می‌کند. بنابراین، میگوی مانتیس باید به‌شدت تحت تأثیر نیروی بازگشتی قرار بگیرد، اما هیچ نشانه‌ای از آسیب در بدن آن دیده نمی‌شود.

اکنون، دانشمندان یکی از رازهای این استحکام شگفت‌انگیز را کشف کرده‌اند. بررسی‌های دقیق نشان داده که چماق‌های انگشتی (Dactyl Clubs) که در مشت‌های میگوی مانتیس به کار می‌روند، دارای ساختاری منحصربه‌فرد هستند که امواج ضربه‌ای را فیلتر و دفع می‌کنند، در نتیجه از بافت‌های داخلی این سخت‌پوست محافظت می‌شود.

چگونه میگوی مانتیس با ضرباتی قدرتمندتر از یک گلوله شلیک‌شده، صدف‌ها را خرد می‌کند؟

میگوی مانتیس در هنگام حمله به طعمه، نیرویی آزاد می‌کند که تأثیر آن فراتر از یک ضربه‌ی معمولی است. وقتی چماق‌های آن با سرعت بالا به هدف برخورد می‌کنند، در حقیقت دو نوع نیروی تخریبی به وجود می‌آید.

۱. ضربه‌ی اولیه:
مشت میگوی مانتیس مستقیماً با قدرت زیادی به سطح صدف، استخوان ماهی، یا حتی شیشه‌ی آکواریوم برخورد می‌کند. این ضربه‌ی مستقیم نیرویی شدید را روی هدف اعمال کرده و باعث ترک‌خوردگی یا شکستن آن می‌شود.

۲. پدیده‌ی حباب کاویتاسیون (Cavitation Bubble):

اما قدرت واقعی این ضربه فقط به برخورد فیزیکی محدود نمی‌شود. وقتی چماق‌های میگوی مانتیس با این سرعت بالا در آب حرکت می‌کنند، فشار آب در ناحیه‌ی پشت ضربه به‌طور ناگهانی کاهش می‌یابد. این کاهش فشار به حدی است که آب موجود در این منطقه، به دلیل چگالی پایین، به‌صورت ناگهانی تبخیر شده و یک حباب کاویتاسیون تشکیل می‌دهد.

اما این حباب ناپایدار است و تنها در کسری از ثانیه، تحت تأثیر فشار زیاد آب اطراف خود فرو می‌ریزد. فروپاشی این حباب باعث ایجاد یک انفجار کوچک، اما بسیار قدرتمند، همراه با گرما، نور، و امواج صوتی می‌شود.

این همان امواج ضربه‌ای حاصل از انفجار حباب کاویتاسیون است که باعث می‌شود صدف‌های سخت و حتی شیشه‌ی آکواریوم خرد شوند.

هوراسیو اسپینوزا (Horacio Espinosa)، مهندس مکانیک از دانشگاه نورث‌وسترن (Northwestern University)، توضیح می‌دهد:
«وقتی میگوی مانتیس حمله می‌کند، ضربه‌ی اولیه امواج فشاری شدیدی را به هدف وارد می‌کند. اما علاوه بر آن، حباب‌های کاویتاسیون نیز ایجاد شده و بلافاصله فروپاشی می‌کنند، که این خود یک موج ضربه‌ای ثانویه در محدوده‌ی فرکانس مگاهرتز تولید می‌کند. ترکیب این دو موج، قدرت حمله‌ی این سخت‌پوست را دوچندان کرده و آن را به یکی از قدرتمندترین مهاجمان در دنیای طبیعت تبدیل کرده است.»

چگونه میگوی مانتیس از این امواج ضربه‌ای مرگبار جان سالم به در می‌برد؟

با چنین ضربات شدیدی، باید انتظار داشت که بدن میگوی مانتیس در اثر نیروی بازگشتی آسیب ببیند. اما بررسی‌های دقیق‌تر نشان داد که چماق‌های انگشتی این موجود به‌شکلی طراحی شده‌اند که امواج ضربه‌ای را به‌گونه‌ای کنترل می‌کنند که به بدن آن آسیبی نرسد.

نیکلاس آلدرته (Nicolas Alderete) از دانشگاه نورث‌وسترن، به همراه تیم تحقیقاتی خود، با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته‌ی لیزر اولتراسونیک پیکوثانیه‌ای (Picosecond Laser Ultrasonics) و طیف‌سنجی شبکه‌ی گذرا (Transient Grating Spectroscopy) بررسی کردند که چگونه ساختار چماق‌های انگشتی در برابر امواج استرسی واکنش نشان می‌دهد.

نتایج نشان داد که این ساختار دارای چندین لایه‌ی متراکم و پیچیده است که عملکردی مشابه یک زره ضربه‌گیر دارد.

ساختار لایه‌ای منحصر‌به‌فرد در زره‌ میگوی مانتیس

چماق‌های انگشتی میگوی مانتیس دارای ساختاری شبیه به لازانیا هستند که شامل چندین لایه‌ی متفاوت با ویژگی‌های فیزیکی خاص است:

لایه‌ی سطحی: از هیدروکسی‌آپاتیت (Hydroxyapatite) تشکیل شده که ماده‌ای غنی از کلسیم و فسفر است و مشابه مینای دندان انسان عمل می‌کند.

لایه‌ی میانی: شامل الیاف کیتین (Chitin) است که به‌صورت الگوی استخوان شاه‌ماهی (Herringbone Pattern) چیده شده‌اند. این چیدمان باعث افزایش مقاومت ساختاری زره در برابر شکستگی می‌شود.

لایه‌ی پایینی: ساختاری مارپیچی از الیاف کیتین که هر دسته کمی نسبت به دسته‌ی قبلی چرخیده است. این ساختار، که به ساختار بولیگان (Bouligand Structure) معروف است، مانع انتشار ترک‌های ناشی از ضربه شده و مقاومت مکانیکی را افزایش می‌دهد.

چگونه این ساختار از میگوی مانتیس محافظت می‌کند؟

علاوه بر افزایش مقاومت، این ساختار یک ویژگی منحصربه‌فرد دیگر دارد: توانایی فیلتر کردن امواج ضربه‌ای.

این ساختار به‌عنوان یک فیلتر باندگپ فونونیک (Phononic Bandgap Shield) عمل می‌کند، به این معنا که امواج استرسی پرانرژی را از بین می‌برد و فقط امواج کم‌خطر را عبور می‌دهد.

اسپینوزا توضیح می‌دهد:
«این بخش از زره، امواج برشی پرانرژی را که می‌توانند به بافت‌های بیولوژیکی آسیب بزنند، فیلتر می‌کند. به این ترتیب، میگوی مانتیس در برابر امواج استرسی ناشی از ضربات خودش محافظت می‌شود.»

الهام از زره‌ی میگوی مانتیس برای توسعه‌ی مواد مقاوم‌تر

محققان قصد دارند با انجام آزمایش‌های جدید در محیط‌های آبی، کارایی این زره را در شرایط واقعی بررسی کنند. این پژوهش می‌تواند به توسعه‌ی مواد فوق‌العاده مقاوم در صنایع نظامی، هوافضا، و ساخت لباس‌های ضدضربه کمک کند.

منبع: ساینس

  این نوشته‌ها را هم بخوانید ​