一只凶猛的虾激发了一只射入等离子体的机器人爪。

The pistol shrimp, aka the snapping shrimp, is a peculiar contradiction. At just a few inches long, it wields one proportionally sized claw and another massive one that snaps with such force the resulting shockwave knocks its prey out cold. As the two bits of the claw come together, bubbles form and then rapidly collapse, shooting out a bullet of plasma that in turn produces a 闪光和8000华氏度的温度. That’s right—an underwater creature that fits in the palm of your hand can, with a flick of its claw, weaponize a blast of insanely hot bubbles.

现在科学家们正在学习如何运用这种强大的力量。今天,在《科学进展》杂志上,研究人员详细描述了他们如何仿效手枪虾的等离子枪来制造自己的等离子。一旦科学家们磨练了进化史上最奇怪的发明之一的版本,这可能会找到一系列水下应用。

如果说所有的枪虾都有一个等离子爆破锤,那么整个世界真的就像一颗钉子。当然,它用它的爪来狩猎,也可以用短促的声音来交流,短促的声音可以达到210分贝。(一支真正的手枪能发出150分贝的声音)有些物种甚至用等离子爆炸来切割珊瑚礁的碎片作为避难所。结果是海底噪音太大,实际上会干扰声纳。

德克萨斯州农工机械工程师大卫·斯塔克认为,多功能性对人类也很有用。他的团队首先得到了一些活生生的手枪虾。像其他节肢动物一样,这些动物周期性地蜕皮,生长时脱落外骨骼。这些外骨骼给了斯塔克一个很好的爪铸造,然后他扫描,以创建一个详细的三维模型。他把这封信寄给了商业3D打印服务公司Shapeways,并取回了手枪虾的等离子枪的塑料版。

这使得Staack可以对肢体的独特结构进行实验。虾爪的上半部分向后翘起并锁定,包括一个“柱塞”,它猛击到爪的下半部分的一个“套筒”。这会产生一股快速流动的水流,产生气泡,在这种情况下也称为气穴。

“这让我们想起了捕鼠器,”他说。“所以我们实际上做了一些实验,我们把捕鼠器放在水下,只是想看看当你触发它时,小手臂会旋转多快。我们采用了捕鼠器的想法,并将其作为一种方法来咬住爪子。”

在斯塔克版本的爪中,它的上半部分在弹簧杆上快速旋转,产生足够的力将柱塞猛击入套筒。这种作用产生一股高速水流,反过来又产生一个空化气泡,初始压力较低,相对较大。但随后它开始崩溃。

他补充说:“水不断地推进,不断地推进,你就会得到很高的压力和温度。”事实上,这里的温度非常高,以至于它们产生了发光等离子体,你也可以在手枪虾咬断自己的爪子时看到。“当它试图把水推回水面时,会发出冲击波。”这就是甲壳类动物如何在野外击退猎物的原因。

机械爪折断时产生的冲击波。

David Staack

难以置信的强大的快照产生了一个气穴气泡,崩溃并发出光。

David Staack

在实验室里,研究人员用高速摄影机观察从他们爪上喷出的水射流。他们还对产生的冲击波进行成像,捕捉等离子体形成时的闪光。

手枪虾对水下等离子产生没有垄断地位。人们在水下使用等离子进行焊接,这就是所谓的等离子弧焊接,它产生强烈的热量。研究人员还可以用激光在水中制造等离子体。问题是,这些手段效率低下。Staack说,使用爪产生血浆的效率是之前探索的方法的10倍。然而,这将需要更多的发展来扩大规模。

由于研究人员不必忠实地遵循手枪虾的生物学原理,它可能会变得更加有效。事实上,斯塔克意识到他们可以缩小爪的上部。在实际的手枪虾中,它是球状的,因为它能容纳操作肢体所需的肌肉。但是这个机器人版本不受生物学的限制。

斯坦福大学生物学家瑞秋·克兰(RachelCrane)说:“复制这种动物所做的是第一步”,她帮助开发了“忍者蛇”(Ninjabot),这是一种复制螳螂虾撞击的装置,类似地产生空化气泡。“然后你就可以看出来,是的,我不需要一块巨大的肌肉,所以我可以把这部分切除。然后你可以设计一个更好的系统。”

研究人员甚至可能想回顾大自然,寻找调整系统的方法。成百上千种的手枪虾正在海里捕食,每一种都有自己独特的适应爪。即使是一个物种中的个体,其形态也各不相同。

杜克大学研究螳螂虾攻击的生物学家希拉·帕特克(SheilaPatek)说:“进化的底物,是我们今天捕捉所有这些不同种类虾的唯一原因,是因为个体差异。”因此,虽然研究人员可以对他们的爪形机器人进行自己的调整,但他们也可以从手枪虾固有的多样性中获得灵感,以使用除最初3D打印的爪形以外的其他爪形形态。

有朝一日,这种多样性可能会出现在一系列领域中使用的一种以手枪虾为灵感的装置。一种方法是用爪产生的等离子体钻穿岩石,就像甲壳类动物在野外为在暗礁中安家一样。或者你可以用这个系统来净化水,把水分解成组成部分,形成过氧化物。斯塔克说:“这些过氧化物可以攻击水中的有机污染物。”“如果您在考虑清洁市政用水或清洁废水,效率将变得非常重要。”

所以手枪虾找到了更多的钉子。


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