04-02螳螂虾

[上面的形象]螳螂虾不仅在技巧中看到,他们也穿着技巧。信用:Dorothea oldani.,毫无抽少


大自然是鼓舞人心的。

以Mariah Reading的画作为例,画中美丽的国家公园景观围绕着废弃的垃圾碎片,这些垃圾作为帆布为她的作品。或者是艺术科学家的作品,比如巴拉罗姆Khamari用微生物作为培养基,用琼脂板作为画布,他不需要离开微生物工作台太远就可以画出杰作。

当然,艺术家并不是唯一的艺术家——科学家们在设计结构、材料和其他东西时也经常从大自然中寻求灵感。有一种奇怪的小生物似乎是最近一些科学创新的灵感来源:螳螂虾。

虽然螳螂也不是虾,但这些食肉海洋甲壳类动物有一些令人印象深刻的进化适应。对于初学者,螳螂虾有一些最复杂的眼睛在自然界中发现,配备了十几种不同的感光感剂(我们人类只有三个),并且不仅能够检测到可见光和紫外线也是偏振光。换句话说,螳螂虾在技术中看到了世界。

除了它们令人难以置信的眼睛,螳螂虾可能更以其强大的冲击力而闻名。螳螂虾也被称为“拇指劈叉者”,以打碎水族馆墙壁的玻璃而臭名昭著,它的力量超过了它的重量——它可以以50英里每小时的速度将它的附体向前推进并离开它的身体,螳螂虾用高达1500牛的力量击打螃蟹,能粉碎螃蟹的外骨骼和软体动物的壳。

除了产生这种爆炸力的令人印象深刻的能力外,螳螂虾的冲压能力还意味着该生物的拳头称为Dactyls - 配备了一些严重的坚韧的材料来承受这种力。这使他们为想要设计骨折材料的工程师来说是完美的灵感。

与细菌建造伯爵

像许多生物材料一样,螳螂虾的指状趾通过一种结构积聚力量,这种结构能有效地消耗能量并抵抗断裂。先前的研究表明,这种强度来自于不同结构适应性的组合,包括a耗散能量的纳米粒子结构A.人字模式在外层防止开裂。

在指状指的内部,材料层被排列成一种被称为“布置图”(Bouligand)的偏移螺旋形状——扭曲得像一叠精致的鸡尾酒餐巾——这进一步有助于耗散能量,防止断裂。

虽然科学家们已经长期以来,但这种垃圾和造型的强度,但其复杂性使得难以合成制造,特别是在矿化材料中。现在,南加州大学和加利福尼亚大学的研究人员团队设计了一种新的战略,以通过利用自然自己来帮助培养这些复杂的模式来制造实验室的这种结构。

“几个世纪以来,我们一直对自然材料的复杂显微结构感到惊讶,尤其是在发明了显微镜来观察这些微小结构之后,”启明创投王,南加州大学工程学院工程师和新工作高级作者的工程师和研究员,在一个USC新闻稿。“现在我们向前迈出了一个重要的一步:我们使用活细菌作为一种直接发展无法自行制作的惊人结构的工具。”

这些活的材料模仿了自然界中发现的浮子结构,包括螳螂虾的指状趾。信贷:启明创投王,USC.

为了创建螳螂虾灵感的结构,研究人员首先印刷了由开放聚合物格子层组成的框架结构。然后,他们用活细菌种植结构,SporoSarcina Pasteurii.,分泌酶脲酶。

在钙离子和尿素存在的情况下,脲酶催化碳酸钙矿物质的形成,碳酸钙矿物质有助于骨骼、牙齿和贝壳的坚固。(还有一些砖头!)因此,当研究人员将细菌升起的聚合物格扣留到含有尿素和钙离子的溶液中时,细菌的脲酶催化在骨架内的碳酸钙矿化,产生越来越坚固的结构。

通过抵消螺旋模式堆叠框架的类似层,研究人员表明,它们可以通过给予细菌生长和一些食物来促进矿化碳酸钙Bouligand结构的创造。

信用:启明创投王, YouTube


“我们的研究中的关键创新是,我们引导细菌种植碳酸钙矿物以实现与天然矿化复合材料类似的有序微观结构,”王说在释放中。

结构揭示了高强度,断裂抗性和能量耗散的有希望的结合。测试显示细菌内置的Bouligand结构通过帮助耗散能量并通过防止在结构内传播裂缝来提供强度。

a)晶格结构的示意图。b)随着时间的推移,碳酸钙矿化结构的生长。c)晶格矿化的光学显微镜图像。d)晶格矿化的SEM图像。e)随着时间的推移,晶格的矿物厚度生长。f)压缩应力v。矿化晶格的应变随时间随时间的推移。g)随着时间的推移,矿化晶格的有效刚度。信贷:启明创投王,USC.

王解释说有线文章“这种微观结构确保了这种复合材料非常坚韧……当你有裂纹时,裂纹会以扭曲模式传播,耗散材料内部的能量。”文章继续写道:“事实上,这种材料比天然珍珠母吸收更多的能量,这赋予了一些贝壳强度,也打败了现有的人工材料,王和他的同事说。”

In addition to representing a proof-of-concept for “3D‐architectured hybrid synthetic–living materials with living ordered microstructures and exceptional properties,” as the authors call them in the paper’s abstract, the team sees diverse potential applications, including lightweight body armor or vehicle armor. “This material could resist bullet penetration and dissipate energy from its release to avoid damage,” postdoc and co-author Yipin Su says in the release.

并且由于材料在活细菌的帮助下生长,研究人员还看到了潜在的朝向自我愈合材料方向。“一个有趣的愿景是,这些生活材料仍然具有自我增长的物业,”王先生在释放中说。“当这些材料有损害时,我们可以引入细菌以使材料恢复。例如,如果我们在桥梁中使用它们,我们可以在需要时修复损坏。“

本文,发表在先进的材料, 是 ”生长活性复合材料,具有有序的微观结构和特殊的机械性能”(DOI: 10.1002 / adma.202006946)。

视觉优势

这不仅仅是螳螂虾的直笛,这是鼓舞人心的创新,然而 - 生物的高度复杂的眼睛也帮助另一个研究人员参与开发紧凑又复杂的光学传感器的新策略。

北卡罗来纳州立大学的科学家们开发了能够进行先进的高光谱和极化成像的小型光学传感器 - 以前仅实现了更大,更复杂的传感器 - 这可以扩大智能手机等紧凑型器件的使用,以便更精确地分析科学成像。

“许多人工智能(AI)程序可以利用数据丰富的高光谱和偏振图像,但捕捉这些图像所需的设备目前有些笨重,”迈克尔·库德诺夫(Michael Kudenov)说,他是一篇描述这项工作的论文的联合通讯作者,也是北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程副教授。说在一个大学新闻故事。“我们的工作是让更小、更友好的设备成为可能。这将使我们能够更好地将人工智能的能力应用到从天文学到生物医学的各个领域。”

受口足类启发的多光谱和偏振敏感(SIMPOL)图像显示了包含不同颜色物体的场景的光谱成像,以及包含不同偏振状态的字母NCSU。图片来源:Ali Altaqui,数控状态

有机电子传感器,研究人员名为“SIMPOL”对于普罗特科德灵感的多光谱和极化敏感,模仿螳螂虾的复杂眼睛,也称为气孔。

与螳螂虾眼一样,传感器可以检测偏振光,也可以检测较窄的带宽窄的可见光-10倍(因此,hyper-spectral) - 在其他这样的传感器中,允许更精确的检测。和偏振光的检测Polarimetric成像可以提供有关物体表面几何形状的重要信息。

虽然该技术不会帮助您从智能手机上拍摄更好的照片,但它可以为各种领域的科学成像开辟重要的可能性。

“我们的工作表明,可以创建可以同时捕获高光谱和偏振图像的小型高效传感器,”该文件的联合通讯作者Brendan O'Connor表示,以及NC状态的机械和航空航天工程副教授。“我认为这打开了新的有机电子传感技术的大门。”

开放式纸张,发表于科学推进, 是 ”Mantis虾的启发有机光电探测器,用于同时高光谱和偏振成像“(DOI:10.1126 / sciadv.abe3196)。

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