Bönsyrseräkornas ”knytnäve” ger inspiration till nya skyddsvästar

Bönsyrseräkan (ordningen Stomatopoda) har, trots att den bara är 6 - 10 cm lång, ett av de kraftigaste ”knytnävsslagen” i naturen. Ett exemplar som bara är 2,5 cm långt kan orsaka blodsutgjutelse om de träffar ett mänskligt finger, och större exemplar har orsakat allvarliga skador. Med tanke på att vissa kan bli upp till 30 cm långa, i extremfall ända upp till 38 cm, så förstår man att de inte är att leka med.

Med en invecklad katapultmekanism kan den accelerera upp till 10 600 g [1] (en större acceleration än en 22-kalibers gevärskula – medan den är under vattnet – och hundratals gånger mer än vad människor kan uthärda [2]), tillräckligt mycket för att framkalla en miniexplosion som kallas kavitation.[3] Om den hålls i fångenskap, kan dess slag krossa akvariets glasväggar. Och i vilt tillstånd knäcker den skalet hos sitt byte - skal som ofta i sig själva är underverk av ingenjörskonst när det gäller hållfasthet. [4]

Räkorna har också ett häpnadsväckande färgseende, med 12 primära färgreceptorer – fyra gånger så många som hos människor. [5] DVD-tillverkare har dessutom försökt kopiera räkögats förmåga att urskilja sex olika slag av polariserat ljus. [6]

Men tillbaka till det kraftfulla slaget: det väcker frågan om hur själva ”knytnäven” kan hålla. Den ömsar skal ofta för att förnyas. Men att ömsa skal ofta kan inte vara hela sanningen. Det kan inte ske tillräckligt ofta för att kunna stå emot 50 000 höghastighetsslag mot hårda bytesskal under räkans livstid.

Nyligen upptäckte en forskargrupp vid University of California, Riverside’s Bourns College of Engineering, vad som gör klubban så motståndskraftig mot skador. [7] Det finns i själva verket tre olika områden i klubban som samverkar ”för att skapa en struktur starkare än många industriellt framställda keramiska material.” [8]

Det yttre området som är det som kommer i kontakt med bytet är mineralrikt, liknande våra ben. Men detta i sig spröda material understöds av nästa lager, som består av ”väl organiserade och roterade lager av kitin … fibrer utspridda i mineral”. [8] (Kitin är en komplex polymer, dvs. tillverkad av mindre molekyler förenade i kedjor, i detta fall modifierade sockerarter. Detta är den viktigaste komponenten i det yttre ”skelettet” hos många ryggradslösa djur, och forskare använde det nyligen för att göra ett starkt biologiskt nedbrytbart material som kallas ”shrilk”. [9] ) I klubban ger arrangemanget av dess starka kitinfibrer bönsyrseräkan möjlighet att absorbera energin under slaget. Det tredje området består av ”riktade kitin-fibrer som är lindade runt klubban” [11] och som håller ihop den.

De tre skikten tillåter uppkomsten av små sprickor, men skillnaderna i hårdhet och riktning förhindrar att de växer till. Forskaren David Kisailus, ”som studerar strukturer hos marina djur efter inspiration för att utveckla nya material,” [8] säger:

"Det är anti-intuitivt: Moder Natur förhindrar katastrofala missöden genom att tillåta lokala missöden. Det är den där arkitekturen som gör dem så starka.”

Det vill säga som med så många andra biologiska material är det inte bara kemin, utan också finstrukturen som gör dem extremt starka. Kisailus sade vidare [8]:

”Den här klubban är styv, ändå är den lätt och stark, vilket gör den otroligt tålig för åverkan och intressant nog, stöttålig. Det är den heliga graalen för materialingenjörer.”

En sammanfattande artikel berättar att räkans klubba ”har en mycket högre specifik hållfasthet och styrka än något syntetiskt kompositmaterial.” [10] Forskaren inser de omfattande tillämpningarna om vi kan återskapa denna design. Den minskade vikten kan minska energi- och bränsleförbrukningen i elbilar och flygplan, och den ökade slagtåligheten bör minska reparationskostnader. Dr Kisailus hoppas också kunna hjälpa soldater, eftersom nuvarande skyddsvästar gör deras packning 10 kg tyngre. Skyddsvästar baserade på denna design kunde vara precis lika starka men bara väga en tredjedel så mycket.

Dr Kisailus och kollegerna mottog 590 000 US dollar i anslag från det amerikanska flygvapnets Office of Scientific Research för att fortsätta sin fantastiska forskning.

Men med tanke på den högklassiga vetenskap som krävs för att göra materialimitationen, vad säger det om Skaparen av originalet? [11]

Referenser och noter

1. Sarfati, J., Shrimpy Superboxer, Creation 30(2):12 – 13, 2008; creation.com/shrimpy-superboxer; grundad på Patek, S.N. et al.., Deadly strike mechanism of a mantis shrimp, Nature 428(6985):819, 2004.
2. Details in Sarfati, J., More space travel problems: g-forces, creation.com/g-force, 9 February 2012.
3. För utförligare förklaring, se Catchpoole, D., Beware the bubble`s burst: Increased knowledge about cavitation highlights the destructive power of fast-flowing water, creation.com/bubble, 24 oktober 2007.
4. Sarfati, J., Amazing abalone armour, Creation30(1):44 – 45, 2007; creation.com/abalone; efter Lin, A. och Meyers, M.A., Growth and structure in abalone shell, Materials Science and Engineering A390:27 – 41, 15 januari 2005.
5. Marshall, N.J. and Oberwinkler, J., The colourful world of the mantis shrimp, Nature 401(6756):873 – 874, 1999.
6. Sarfati, J., DVD makers copy mantis shrimp eye design, Creation 34(2):56, 2012; efter `Sexy` shrimp eyes help DVD technology, news.com.au, 26 oktober 2009.
7. Weaver, J.C. et al., The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hammer, Science 336(6086):1275 – 1280, 8 juni 2012: doi:10.1126/ science.1218764.
8. Nealon, S., `Armoured caterpillar` could inspire new body armour: Unique structure of fist-like club of mantis shrimp could transform materials used to create military body armour and vehicle and aircraft frames, ucrtoday.ucr.edu/6737, 7 juni 2012.
9. Sarfati, J., Arthropods inspire strong, biodegradable material, Creation 35(3):56, 2013, efter Inspired by insect cuticle, wyss researchers develop low-cost material with exceptional strength and toughness, wyss.harvard.edu/viewpressrelease/72/, 13 december 2011.
10. Tanner, K.E., Small but extremely tough, Science 336(6086):1237 – 1238, 8 juni 2012: doi:10.1126/science.1222642; comment on ref. 7.
11. I vanlig ordning innehåller huvudartikeln en faktabefriad hyllning till evolutionen: ”naturen har utvecklat effektiva strategier för att syntetisera komplexa minerali serade strukturer som uppvisar exceptionell tolerans mot åverkan.” Men det objektiva faktaunderlaget bestod i de häpnadsväckande designade strukturerna, och här bidrog evolutionsteorin med noll och intet..