每吃一只龍蝦，就有一件天然「防彈衣」在消失

把一只龍蝦翻過來，你就會看到它的尾巴下面是由分開成數個部分的半透明膜連接的，與其他甲殼動物盔甲式的殼相比，這看起來相當脆弱。

但來自麻省理工學院和其他地方的工程師發現，這種軟膜異常堅韌，具有微觀、分層、膠合板狀結構，使其耐受刮擦和切割。當龍蝦掠過巖石海底時，這種薄膜可以保護它的腹部。

在某種程度上，這種膜也是有彈性的，這使得龍蝦能夠前後抽打它的尾巴，使捕食者難以咬穿或撕扯開其尾部。

這種靈活性是由於該膜是一種天然水凝膠。這種水凝膠 90% 由水組成，其餘大部分是甲殼素——一種在眾多貝殼和外骨骼中發現的纖維材料。

圖|波士頓龍蝦採用中國水墨畫和書法，使用簡單的線條，紋理，方向和深度的變化，捕捉龍蝦，巖石和波浪等主題的精髓。（來源：Yangsheng Li）

該團隊的研究成果表明，龍蝦膜是所有天然水凝膠中最堅韌的一種，堅韌度超過膠原蛋白、動物皮和天然橡膠等，與用於製造汽車輪胎、花園軟管和傳送帶的工業橡膠復合材料堅韌相當。

龍蝦堅韌又有彈性的薄膜可以作為設計靈活性防彈衣的指南，尤其是針對身體活動度高的區域，如肘部和膝蓋。

「我們認為這項工作可以為設計更靈活的防彈衣提供思路，」麻省理工學院機械工程系的 d’Arbeloff 職業發展助理副教授郭明說道，「如果能用這類材料製作防彈衣，你就可以自由移動你的關節，這會讓你感到更加舒適。」2 月 14 號，詳細介紹該團隊成果的全文發表在 Acta Materialia 期刊上。

靈活的保護

郭明教授開始研究龍蝦膜的特性，是在一次與實驗室的訪客共進晚餐之後。

「他之前從未吃過龍蝦，並想嘗試一下，「郭明教授回憶到，「雖然肉很好，但他意識到腹部的透明膜很難咀嚼。我們想知道這是由於什麼原因。」

研究人員發現，盡管有很多專注於龍蝦獨特的盔甲式外殼的研究，但對甲殼類動物腹部軟膜的研究卻很少。

「當龍蝦遊動時，它們伸展且移動關節，並快速翻轉它們的尾巴以逃避掠食者，」郭明教授說，「龍蝦不能完全被硬殼覆蓋，它們需要這些更柔軟的連接處。但之前沒有人研究過這種軟膜，這令我們非常令人驚訝。」

圖|龍蝦腹部圖片（來源：pixabay）

因此，他和他的同事開始著手研究這種特殊材料的特性。他們將每個膜切成薄片，對每個薄片都進行了各種測試。例如將一些切片放在一個小烤箱中烤幹，再測量其重量。根據這些測量結果，他們估測龍蝦膜的 90％都由水組成，是一種水凝膠材料。

研究人員將其他樣品存放在鹽水中以模仿自然的海洋環境，並對部分進行機械測試。將每個膜放置在可拉伸樣品的機器中，同時精確測量對膜施加的力。他們觀察到膜最初是松軟的並且容易拉伸，直到它達到初始長度的兩倍左右，此時材料變得更硬、更堅韌。

「這對生物材料來說非常獨特，」郭明教授說，「對於許多其他堅韌的水凝膠材料，越拉伸會變得越柔軟。而龍蝦膜的這種相反的特性則可以使龍蝦靈活移動，並且在遇到危險時，軟膜可以變硬並起到保護作用。「

龍蝦的天然膠合板

當龍蝦穿過海底時，它們會刮擦石頭和沙子。研究人員想知道龍蝦膜對這種小刮擦和割痕的彈性有多大。他們用一把小手術刀劃傷膜樣品，然後以與完整膜相同的方式拉伸它們。

「我們做了劃痕來模擬他們穿過沙子時可能會發生的摩擦，」郭明教授解釋道，「我們甚至切開了薄膜厚度的一半，發現它仍然可以拉得很遠。如果是橡膠復合材料的話，它們就會破裂。」

隨後，研究人員使用電子顯微鏡放大了龍蝦膜的微觀結構。他們觀察到的結構非常類似於膠合板。每個厚度約為 0.25 毫米的薄膜由數萬層組成。單層含有無數的甲殼素纖維，類似於稻草細絲，其角度取向均與上面的纖維層精確地偏離 36 度。同樣，膠合板通常由三層或更多層薄木材制成，每層的顆粒與上下層成直角取向。

「當你逐層旋轉纖維的角度時會發現，各個方向都受力均勻，」郭明教授說，「人們一直在乾燥材料中使用這種結構彌補缺陷。但這是第一次在天然水凝膠中看到它。」

在秦的帶領下，該團隊還進行了模擬，看看如果人工將甲殼素纖維像膠合板那樣對齊成龍蝦膜那樣整齊的形態，而不是完全隨機的方向時，其膜如何對簡單的切割做出反應。為此，他們首先模擬單個甲殼素纖維並賦予它某些機械性能，例如強度和剛度。然後，他們復制了數百萬根這些纖維並將它們組裝成由完全隨機纖維或類似於實際的龍蝦膜的精確定向纖維層，並且將兩種不同結構進行對比。

「有一個平台可以讓我們直接測試和展示相同的甲殼素纖維在不同結構中會產生非常不同的機械性能，這令人感到驚奇。」研究人員說道。

最後，研究人員在隨機膜和分層膜上都割開了一個小凹口，並拉伸每個膜，以此模擬每個膜的受力。

「在隨機膜中，受力是相等的，當你拉伸它時，它很快就會斷裂，」郭明教授說，「我們發現層狀結構在沒有斷裂的情況下伸展得更多。」

「問題是甲殼素纖維如何被組裝成這樣一種獨特的分層結構，從而形成龍蝦膜，」研究人員說，「我們正在努力了解這種結構，並相信這可是一種材料合成的微觀結構新方法。」

「我們認為這種膜結構可能是龍蝦在地球上生存超過 1 億年的一個非常重要的原因，」郭說。「在某種程度上，這種骨骼耐受性確實幫助了他們的進化。」

除了幫助設計更加靈活的防彈衣，郭明教授認為這種材料還可用於軟材料機器人以及組織工程學。如果可以的話，這可能會為自然界中最具彈性的生物之一的存在提供了新的視角。

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編輯：李玉婷 責編：李禹蒙

參考：

http://news.mit.edu/2019/lobster-underbelly-tough-industrial-rubber-0219