皮皮虾的创新启示与应用

皮皮虾，是口足目（学名：Stomatopoda）动物的一个“江湖名号”，除此之外它还被称为螳螂虾、虾爬子、琵琶虾、濑尿虾、虾蛄……等，绰号多到你记不全。它不是一个物种，而是由近五百种甲壳动物组成的大家庭，我们在市场上最常见的口虾蛄（学名：Oratosquilla oratoria）只是这个大家庭中的一名小成员，这个大家庭里的成员的头胸部都有10只向着口部方向生长的“手”，这5对“手”在学术上被称为颚足，这些颚足负责猎捕食物并送入口中，因此它们都被归类为口足目的动物。

生活在南非索德瓦那湾海域的皮皮虾丨图源：Derek Keats / Flickr

说起皮皮虾，你首先想到的是什么？清蒸皮皮虾、麻辣皮皮虾，还是椒盐皮皮虾……？你想的也没错，作为一种美味的海鲜，它的确能满足吃货们挑剔的味蕾，但是现在我们不探讨如何烹饪这种海洋生物。今天我们一起来了解一下它所具有的一些特殊技能，以及这些超群绝伦的“功夫”为科研人员研发新装备、新材料提供了一些什么启示。

口虾蛄是我们常见的皮皮虾丨图源：mersy / Flickr

皮皮虾的成体体长大多在十至三十厘米间，个别种类如斑琴虾蛄可以长到近半米长，它们分布很广泛，是一种看似很普通的海产。它们喜欢埋伏在洞穴或沙土里，对经过的螃蟹、小鱼、龙虾、贝类、海胆等动物发动突然偷袭，是海洋中机敏凶悍、战斗力爆表的杀手。皮皮虾主要是依靠它的第二对颚足捕食猎物，它的这两只“手”非常强大，也被称为掠足或掠肢，是它们偷袭和防御的秘密武器。它们的这两只“手”有的演化成镰刀状、有的演化成锤子状，据此我们可以将它们简单分为：钩镰枪高手和流星锤高手。使用“钩镰枪”的皮皮虾，它们的掠肢形状跟螳螂的两只大前肢相似，主要通过钩、刺等招式捕食小鱼、小虾等身体比较柔软的猎物，我们经常吃到的口虾蛄以及热带海域中我们不常见的斑琴虾蛄都是属于这种类型的；而使用“流星锤”的皮皮虾，它们的掠肢前端膨起酷似鼓锤，主要是通过弹、砸等招式对海洋里螃蟹、龙虾、贝类等这些具有铠甲护身的猎物造成粉碎性伤害，雀尾螳螂虾（学名：Odontodactylus scyllarus）就是这类高手的典型代表。

雀尾螳螂虾拥有两个像鼓锤一样的掠肢丨图源：prilfish / Flickr

螃蟹、龙虾、贝类等动物的外壳都具有出色的强度和韧性，可以抵御许多捕食者的袭击，但是它们在雀尾螳螂虾面前却都不堪一击。大家都知道力的作用是相互的，你用多大力气击打对方，你也将承受同样大小的力。那么是什么原因让使用“流星锤”的皮皮虾在锤杀敌人、造成猎物粉碎性“骨折”的同时，它那非金属的掠肢却毫发无损呢？这吸引了科学家们的极大兴趣。

显微观察雀尾螳螂虾掠肢的构造丨图源：文献[1]

在我们生活中的诸多领域，如交通工具、军事装备等方面，都需要轻便而又耐冲击的新型材料，使用“流星锤”的皮皮虾为科研人员研发这类新材料提供了灵感。美国加利福尼亚大学材料科学与工程专业的教授通过电子扫描显微镜观察发现，雀尾螳螂虾的“锤头”由三层特殊构造的材质组成，由外及内依次是：抗冲击表层（Impact surface region）、抗冲击层（Impact region）和包裹层（Periodic region）。这三层的主要物质都是动物性纤维——几丁质（chitin），这三层的不同点是它们的钙化程度不一样，由内到外随着几丁质中羟基磷灰石等钙化物含量的增加而变得越来越坚硬，最外面一层完全是由紧密排列的羟基磷灰石纳米晶体组成。这种层叠的钙化纤维结构犹如天然的防弹衣，使雀尾螳螂虾的“锤头”在强大的冲击力下可以轻松的吸收掉碰撞产生的能量，从而避免自己的“拳头”发生“骨折”[1]。

强化防护的现代士兵丨图源：Goosemouse / Flickr

这项关于皮皮虾掠肢结构的研究成果，有助于研制轻薄的仿生抗冲击复合材料，用于强化各种防护装备，如防弹衣、防弹车、舰艇、坦克、汽车、飞机等等。在交通工具发生碰撞时，吸能元件起到保护作用，以减轻人员伤亡、增加安全性，被广泛应用于汽车、航空航天领域，我国清华大学汽车安全与节能实验室的科研人员，依据皮皮虾掠肢抗冲击的结构特性，仿生设计出了一种高效吸能薄壁管，为实现吸能元件轻量化提供了新思路[2]。

皮皮虾的眼睛特写丨图源：prilfish / Flickr

除此之外，皮皮虾还拥有傲视天下的神奇视觉系统，它们的眼睛里有16种光感受器，这些器官不仅超过了我们人类的视觉系统，而且是地球上已知生物中视觉系统最强的动物，能够清晰地捕捉到超出人眼可见范围的紫外光和偏振光来探测识别不同的物体，与当今最复杂、最先进的相机相比，它们用更少的空间和能耗捕捉到更多的视觉信息。偏振光就在我们身边，我们日常佩戴的偏光眼镜可以反射偏振光，降低眩光对眼睛的伤害；医学实验证实癌变和健康组织会反射不同的偏振光，受到皮皮虾眼睛的启示，科学家们研制出了一种仿生彩色偏振成像仪，通过它可以帮助人们尽早发现癌变组织，防患于未然[3]。仿生皮皮虾视觉成像技术具有广阔的应用前景，它还可以被应用到汽车自动驾驶系统中，帮助车辆更好地辨别周围环境和障碍物，提高自动识别的敏感性，让自动驾驶变得更加安全。说不定不久的将来，我们驾驶的车辆上就有来自皮皮虾的仿生科技呢。

皮皮虾的复眼及仿生彩色偏振成像仪丨图源：文献[3]

皮皮虾在海洋生态系统中起着重要作用，是自然界食物链中重要的一环。和许多其它生物一样，皮皮虾不仅是大自然馈赠给我们人类的一道美食，更是我们众多科技创新的源泉。我们在享用美味的同时，应该记起它们对人类的贡献，更应该致力于保护它们赖以生存的环境，让丰富多彩的生物生生不息，让我们的子孙后代可以继续探索它们更多的奥秘。

参考文献：

[1] Yaraghi N A , Guarin-Zapata N , Grunenfelder L K , et al. A Sinusoidally-Architected Helicoidal Biocomposite[J]. Advanced Materials, 2016, 28(32):6835-6844.

[2] 黄晗, 许述财, 杜雯菁,等. 基于虾螯结构的仿生薄壁管吸能特性分析及优化[J]. 北京理工大学学报, 2020, v.40;No.301(03):41-48.

[3] Garcia M , Edmiston C , Marinov R , et al. Bio-inspired color-polarization imager for real-time in situ imaging[J]. Optica, 2017.