螳螂虾是动物界中威力最大的一种。它们像棍棒一样的附体的加速速度比从枪里射出的子弹还要快，只需一击，就能把螃蟹的手臂打掉，或者击穿蜗牛壳。这些小而强大的甲壳类动物已经打败章鱼并获胜。
螳螂虾是如何产生这些致命的、超高速的运动的，一直让生物学家着迷。最近高速成像技术的进步使得观测和测量这些撞击成为可能，但其中一些机制还没有被很好地理解。
现在，一个由机器人专家、工程师和生物学家组成的跨学科团队模拟了螳螂虾的打拳动作，并建造了一个模仿这种动作的机器人。这项研究揭示了这些好斗的甲壳类动物的生物学特性，并为小型但强大的机器人设备铺平了道路。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
“我们对自然界中许多非凡的行为都很着迷，尤其是当这些行为达到或超过人造设备所能达到的水平时，”哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)工程与应用科学哈里·刘易斯和马林·麦格拉思教授、该论文的资深作者罗伯特·伍德说。“例如，螳螂虾攻击的速度和力量是一个复杂的潜在机制的结果。通过构建一个螳螂虾引人注目的附肢机器人模型，我们能够对这些机制进行前所未有的详细研究。”
许多小型生物——包括青蛙、变色龙，甚至某些种类的植物——通过储存弹性能量，并通过像捕鼠器一样的锁存机制迅速释放能量，从而产生超高速运动。在螳螂虾中，嵌入在肌肉肌腱中的两个小结构叫做板岩，充当附属物的门闩。在典型的弹簧加载机构中，一旦物理锁闩被拆除，弹簧会立即释放存储的能量。
但是当皮皮虾附肢的筛板脱落时，会有一个短暂但明显的延迟。
“当你用超高速相机观察这个惊人的过程时，在巩膜释放和附肢燃烧之间有一个时间延迟，”该论文的共同第一作者、海洋科学与工程学院(SEAS)的博士后研究员nakseung Hyun说。“这就像一只老鼠触发了一个捕鼠器，但捕鼠器并没有立即折断，而是在它折断之前有一个明显的延迟。很明显，还有另一个机械装置来固定这个附件，但没有人能够分析出其他机械装置是如何工作的。”
“我们知道,螳螂虾没有特殊的肌肉与其他甲壳类动物相比,问题是,如果不创建快速运动肌肉,那么必须有一个机械机制产生高加速度,”艾玛·斯坦哈特说,海洋和研究生论文的第一作者。
生物学家假设，当板岩开始解开时，附肢本身的几何结构就充当了第二个门闩，在继续储存能量的同时控制手臂的运动。但这一理论尚未得到验证。
这张照片显示了一个1.5克的虾米大小的机器人的撞击。来源:Greg Freeburn和Emma Steinhardt/Harvard SEAS
研究小组首先通过研究系统的连杆机制来验证这一假设，然后建立了一个物理的机器人模型。一旦他们得到了这个机器人，团队就能够建立一个运动的数学模型。研究人员绘制了螳螂攻击的四个不同阶段，从锁住的板岩开始，到实际攻击的附肢结束。他们发现，确实，在板岩打开后，机械装置的几何结构占据了位置，将附属物固定在合适的位置，直到它达到一个过定心点，然后门闩就松开了。
Steinhardt说:“这个过程控制了储存的弹性能量的释放，实际上提高了系统的机械输出。”“几何锁合过程揭示了生物体如何在这些短时间的运动中产生极高的加速度，比如打拳。”
研究人员在一个1.5克的虾鳞机器人上模拟了这个过程。虽然机器人没有达到螳螂虾攻击的速度，但它在空中的速度达到了每秒26米——相当于一辆汽车在4毫秒内达到每小时58英里的加速度。该设备比迄今为止任何相同规模的类似设备都要快。
“这项研究展示了跨学科合作如何在多个领域产生发现，”杜克大学生物学教授、合著者希拉·帕特克说。“建立物理模型和发展数学模型的过程让我们重新审视了我们对螳螂虾攻击力学的理解，更广泛地说，发现了生物体和合成系统如何在超高速、重复使用的运动中使用几何学来控制极端的能量流。”
这种物理模型和分析模型相结合的方法可以帮助生物学家理解和机器人专家模仿自然界其他一些非凡的技艺，比如陷阱蚂蚁如何如此迅速地咬住它们的下颚，或者青蛙如何将自己推得如此之高。
