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这种小虾能“袭击”军舰 我们成功缴获了它的武器
2019-08-30 18:31:18  出处: 科普中国  作者:唐鑫 编辑:宪瑞   点击可以复制本篇文章的标题和链接

二战时期,盟国海军在追踪纳粹潜艇时,遇到了一件怪事:他们的水下侦听设备总是受到一些劈里啪啦的噪音的干扰。

一开始,谁也不知道这些噪音到底是从哪儿来的。

直到科学家们发现了一类奇特的海洋生物——鼔虾(Alpheidae),俗称枪虾。枪虾广泛分布在蓝星的各个海洋中,从太平洋到大西洋,全面覆盖了主要的海洋战场。

它们的标志性特征是拥有一双极不对称的螯,其中那只惹眼的巨螯有时能长到身长的一半以上,看起来像是扛了一个“小钢炮”。而水下噪声的秘密,就藏在这件重型武器里。

当年,有一篇极具艺术特质的研究报告,揭示出这些奇特噪声的秘密[1]。

这种小虾能“袭击”军舰 我们成功缴获了它的武器

1946年加州大学战争研究部海军电子实验室关于海洋中枪虾引起的噪音研究报告 | 参考文献[1]

这种小虾能“袭击”军舰 我们成功缴获了它的武器

科学家们用严谨的数据和调皮诙谐的插画描绘了枪虾们在海底竭力制造噪音的场景。我第一次看到这些插画时,直接就被这些成套的卡通插图逗乐了好些天 | 参考文献[1]

枪虾的致命武器

受当时的科学条件所限,科学家们将噪音的来源直观地解释为枪虾巨螯的快速合闭碰撞。

在2000年前后,高速摄像机技术快速进步,荷兰特温特大学应用物理教授Lohse的研究团队,通过分析一种枪虾(Alpheus heterochaelis)的高速影像和水中的声波信号,指出枪虾的噪音并非来自于快速闭合的巨螯的碰撞,而是因为巨螯闭合时产生的高速射流引起的空化气泡(又称为空化气穴)[2]。

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枪虾的噪音来自巨螯闭合时产生的高速射流引起的空化气泡 | Del Bohnenstiehl, NC State University

这些低压空化气泡因为压差的作用快速坍缩,会使空化气泡内的水蒸气和空气体积急剧压缩,在坍缩到最小体积的瞬间(纳秒级别)产生极高的压力和温度(可达5000度),甚至产生激波和大量的光子[3]。

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高速摄像机拍摄到的枪虾巨螯闭合的过程 | Michael Price AAAS

这种奇特的现象被称为“虾光现象”(Shrimpoluminescence)。相关的研究结果分别发表在了《自然》和《科学》两个顶级期刊上。Lohse教授也因此在同事们的调侃中获得了“虾人”的光荣称号。

枪虾利用这种超级“炮弹”,能够轻松击晕甚至杀死敌人或猎物,并产生高达210分贝的噪声,比真实的枪声(平均150分贝)还要响,这让它们成为了海洋中的“噪声器”。

精妙的仿生学设计

2015年,我加入德州A&M大学(Texas A&M University)机械系等离子体实验室,跟随David Staack教授进行液体中等离子体的相关研究。

在一次学术报告上,Staack教授听到一位与会者有人讲到了枪虾,并指出枪虾可能在水中生成等离子体,自此对枪虾产生了浓厚的研究兴趣,甚至在ebay上买了两只条纹枪虾(Alpheus formosus)放在鱼缸里作为孩子们的宠物。

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Staack教授的家中进击的条纹枪虾 | David Staack

机缘巧合,我进组后就恰好被安排到枪虾的项目中,这种奇特的小生物结下了不解之缘,开始研究它的“秘密武器”。

刚开始接触这个课题,我就发觉到虾光是一个非常复杂的现象。它涉及到生物学,流体力学,工程热力学,声学以及等离子体等应用物理的知识。想要人工“重现”这一现象并加以研究也很困难。

在回顾历史研究的过程中,有两篇有趣的研究文献吸引了我的目光其中一个是德国的David Hess博士等人[4]关于仿生设计二维虾螯闭合时产生的涡流研究,另外一篇是基于速度最快的螳螂虾(Gonodactylus smithii,孔雀螳螂虾,皮皮虾的一种)设计的仿生装置忍虾(Ninjabot)[5]。这些奇思妙想的机械装置都很趣,但是都未能完全揭开“激波等离子体枪”的秘密。

不过,我们从以往的文献和流体力学相关项目的经验推测出,虾螯的几何形态对于高速射流产生空化气穴至关重要。因此我将导师收集到枪虾巨螯的虾蛻进行了X光CT扫描,并将扫描的信息转化为高精度的三维模型进行仿生设计,最终成功打造出了我们自己的仿生激波等离子体枪装置,基本还原了“虾光现象”。

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X光三维扫描得到的枪虾的巨螯的几何形态(A-C)和对应的放大5倍的仿生装置部件(D-F) | 唐鑫,David Staack 参考文献[6]

一个典型的枪虾巨螯主要由四部分构成:螯锤、螯塞、螯槽以及和倒数第二关节连接的螯节。其中螯锤与螯塞部分是主要的活动部分。枪虾的激波等离子体枪在发射前,会先将巨螯张开到一定角度,然后通过肌肉控制触发螯锤快速闭合,同时螯塞快速进入螯槽,迫使螯槽内的水从螯槽的射流通道快速排出。

这个过程类似于我们在水中挤压充满水的医用注射器产生射流的过程,只不过我们的速度远远达不到枪虾的速度(正所谓天下武功,唯快不破)。高速的射流使得水中部分位置的静压低于水的蒸汽压,让水在低压下直接沸腾汽化为水蒸气,这就是我们看到的空化气泡。

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这个过程类似于在水中挤压充满水的医用注射器产生射流 | Pexels

枪虾巨螯的外骨骼、肌肉和关节精致复杂,而且在漫长的岁月里进化出了适合“激波等离子体枪”的生物动力学曲线,这很难用现有的精密机械装置来替代。因此我就将这部分简化为扭簧来为仿生枪虾装置提供动力,这个设计灵感来源于捕鼠夹和起钉器。

仿生装置设计图中的离合器就像手枪扳机一样,在将装有扭簧的螯塞部分打开到一定角度后用离合器来固定蓄势待发的螯塞。在需要激发的时刻,抬起离合器,螯塞就会在扭簧的扭力作用下快速旋转闭合,将螯槽中的水从喷管形状的出口挤压出来,形成高速的脉冲射流。

这高速脉冲射流以一定的角度从巨鳌的侧面喷涌而出,形成低压的空化气泡。这把威力巨大的激波等离子体枪用的弹药正是枪虾们周围的海水,可以说是取之不尽用之不竭啊。大家可以想象一下玩儿RPG游戏时高爆弹药无限,犹如开挂一般的感觉。

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仿生枪虾装置的CAD设计图和实物图 | 唐鑫 参考文献[6]

揭开虾光现象的真容

枪虾巨螯闭合时间是数个毫秒,若想看清楚整个激波等离子体枪发射过程,至少需要1000帧每秒的高速摄像机,普通手机的慢速模式可能只能捕捉到一两帧空化气泡真容。

在高速摄像机下,我们看到了仿生装置产生空化气泡的过程,以及空化气泡塌缩过程中产生的激波。

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仿生枪虾装置生成空化气穴的过程 | 唐鑫,David Staack

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空化气穴坍缩在水中生成的激波 | 唐鑫,David Staack

而虾光现象中产生的光非常微弱,必须借助非常复杂的设备(比如一些特种摄像机)在极度黑暗的环境中才可以捕捉到。我在暗室中拍摄到了第一张此类虾光现象的照片,这些发光的空化气泡照片在计算机处理后有便有了一种莫名的立体感。

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枪虾仿生装置在海水中的虾光现象(A) 位置参照图,红色方片符号是多次实验捕捉到的虾光位置 (B) 具有饱和空气的海水中的虾光现象照片 | 唐鑫,David Staack

我们的这种仿生装置产生空化气泡的转化效率大约达到了36%,是目前人造空化气泡几种方法中效率最高的[6]。

自然界中,枪虾利用这一强大武器可以进行捕食、防御、交流以及在珊瑚礁上建造藏身之所。它们在生物进化过程中,已经将这种激波等离子体枪开发到了极致。

而这种产生空化的高效仿生装置的诞生,将极大地促进相关科学工程领域的研究进展——如地热钻探:传统机械钻探都是PDC钻头在钻井液中钻探,但如果把空化气穴和PDC钻头结合,在钻井液中产生空化气穴,在岩石表面引起微裂纹,就能够提高钻井速率,极大地降低钻井成本。另外,还可能会对污水处理,水下激波处理回收,水下声学装置以及减少流体阻力等领域有所帮助。

希望我们的仿生装置未来可以发挥出不可思议的功效,帮助解决更多工程领域的问题贡献一臂之力。

花絮

在项目进展过程中,我还在网上买了五只佛罗里达的大螯枪虾(Alpheus heterochaelis)放在实验室内教授提供的海水鱼缸中。实验室小伙伴们还给每一只都取了名字,自此每天看枪虾就成了实验室的一大娱乐项目。枪虾们的激波等离子体枪威力巨大,甚至将结实的鱼缸震出了裂缝,得亏我们发现得早,否则缸中的海水全都漏光了……

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威武雄壮的大螯枪虾和被震裂的鱼缸 | 唐鑫

关于具体的研究细节,感兴趣的朋友们可以直接戳链接看我们发表在Science Adcances上的文章:https://doi.org/10.1126/sciadv.aau7765

DOI: 10.1126/sciadv.aau7765

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