螳螂虾的真实威力，从螳螂虾身上获取灵感

通过3D打印这种新材料，并将其浸泡在微生物溶液中。科学家们制造出了一种极为坚固的结构，并有朝一日可以实现自我愈合。

在国外，人们常常称螳螂虾为——“拇指分割者”，因为它喜欢敲打那些想要抓它渔民的手指（相比属皮皮虾就安全多了）。对于海底的猎物来说，螳螂虾被称为“死亡化身”：这种甲壳类动物会把脸下的两只类似锤子的大螯钩向后翘起，释放出的力道大到能把自然界最坚硬的材料之一——蛤蜊壳，瞬间击碎。螳螂虾与螃蟹的打斗更为有趣，其会有策略性地先将螃蟹的大爪子给击断，直接让猎物无法自卫。

所有这些撞击都给锤子本身带来了严重的压力。因此，为了应对不断地冲撞，大自然的进化，赋予了这些武器内部一个“布利根（bouligland）”形状结构的材料。这些材料层不是整齐地一层层叠加在一起，而是层层扭曲，几乎就像DNA的螺旋结构。因此，当螳螂虾的锤子砸到拇指、蛤蜊或螃蟹的表面上时，其结构中的任何裂缝都会以扭曲的方式传播，从而将能量消散在整个材料中。因此，锤子不会断成两半。

南加州大学(University of Southern California)和加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的研究学者表示，他们发明了一种基于螳螂虾撞击棒的巧妙材料，为了方便叫其为“虾状结构”。（如果你喜欢正式的术语，论文中被称为dactyls，意味“指状物”)然而，制作这一材料是一个极为神奇的过程：他们能够在细菌的帮助下，在3D打印的虾状结构中生长矿物质。

研究人员首先用聚合物3D打印出一个简单的晶格结构，基本上是一个网格。正如你在上图中所看到的那样，其所产生的脚手架内部有大量的空隙——你可以把它想象成支撑建筑的横梁。然后，他们将整个结构浸泡在细菌溶液中，让它静置12到24小时。溶液中的巴氏孢子菌附着在聚合物晶格上，并开始分泌一种叫做尿素酶的酶。

当研究人员将这个结构浸入尿素和钙离子的第二个浴中时，尿素酶启动了一个化学反应，产生了碳酸钙。碳酸钙——就是赋予蛤蜊外壳，以及你自己的骨骼和牙齿，同等强度的材料。并且，它也是螳螂虾锤子的一个组成部分。在实验室里，当研究人员将这一3D打印材料滞留在溶液中时，碳酸钙不断累积，在10天内完全填满了晶格，并最终制作出了一种由聚合物骨架和矿物内部构成的超硬材料。可以在上图中看到结构的制备过程。

如上图所示，研究人员能够用3D打印出各种内部形状的格子，从波浪图案到十字架。C型显示了矿物填充聚合物骨架间隙的位置。在D行的彩色图像中，你可以看到碳酸钙矿床的硬度得分较高（以红色表示），而晶格等级较低（以蓝色和绿色表示）。

但研究人员真正追求的是“布利根（bouligland）”形状结构，它赋予螳螂虾的锤子具有弹性。在下图中，有四种不同类型的格子。图片A显示了这些3D打印结构的样子，I型只是材料的线性堆叠，而IV型则是“布利根（bouligland）”结构——每一层都会移动45度，形成一种漩涡。在C行，图像显示了用白色碳酸钙填充的聚合物的暗带。I型就像杂货店里的过道一样排列，而IV型看起来更混乱。

一种很好的混乱，就像它发生的那样。当研究人员测试每个晶格的强度时，IV型“布利根（bouligland）”结构吸收的能量是I型的20倍。“这种微观结构确保了这种复合材料非常坚韧。”南加州大学工程师王启明教授说，他是《先进材料》杂志上一篇描述该发现的新论文的共同作者，“当你有裂纹时，裂纹会以扭曲的方式扩展，以耗散材料内部的能量。”王教授和他的同事认为，事实上，这种材料吸收的能量比天然珍珠层（珍珠母）还要多，使一些贝壳具有强度，也比现有的人造材料更胜一筹。

就像螳螂虾的锤子不折断地吸收拳头冲头的能量一样，用这种新方法开发的材料也是如此。对于潜在的用途，王教授说要考虑做成防弹衣，它可以消耗并吸收子弹的能量。碳酸钙也是相当轻盈的，所以科学家们也可以为飞机，甚至机器人制造更坚硬的面板

“对我来说，这是未来制造业的一种方式，虽然我不是唯一一个这么说的人。”普渡大学土木工程师巴勃罗·扎瓦蒂耶里（Pablo Zavattieri）说，他没有参与这项研究。在传统制造业中，缺陷可能会悄然而至。另一方面，大自然在数百万年的时间里，在螳螂虾的锤子里发展出了奇妙的结构，这种模式可以通过简单的晶格和细菌浴来复制。扎瓦蒂耶里 （Zavattieri）表示：“从这个角度来说，大自然是无可挑剔的。大自然就是一台万能的3D打印机。”

另一个特别之处是——这种细菌构建的材料的再生能力。就像，如果我们不建造道路，而是种植道路，会怎么样？"如果我们有损坏，你只要把细菌引入里面，它就能把自己长回来。"王教授表示，“这些结构非常坚硬，非常坚固，且可能有自我修复。”

遗憾的是，目前研究人员还没有完全做到这一点——他们让细菌在实验室的受控条件下生长矿物质，即使这样也只是少量的。扩大道路建设规模将带来额外的工程挑战；例如，获得合适的支撑脚手架与硬化材料的比例。但是扎瓦蒂耶里（Zavattieri）实际上已经在研究3D打印混凝土了。“我不认为这个想法超级疯狂，我们完全可以让机器人打印出经典的支架，把细菌留在那里，然后让它们在材料上生长10天。”

所以，也许有一天，这个螳螂虾的毫不掩饰对猎物的打击。可以帮助修复全球因为年久失修的基础设施上，而不是仅仅划破拇指。

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撰写：GolevkaTech

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