作者：唐鑫
修改：Yuki
二战时期，盟国水兵在追寻纳粹潜艇时，遇到了一件怪事：他们的水下侦听设备总是遭到一些劈里啪啦的噪音的搅扰。
就像这样：
音频来历：Del Bohnenstiehl, NC State University
一开端，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独特的海洋生物——鼔虾(Alpheidae)，俗称枪虾。枪虾广泛散布在蓝星的各个海洋中，从太平洋到大西洋，全面覆盖了首要的海洋战场。
它们的标志性特征是具有一双极不对称的螯，其间那只招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”。而水下噪声的隐秘，就藏在这件重型兵器里。
当年，有一篇极具艺术特质的研讨报告，提醒出这些独特噪声的隐秘[1]。
1946年加州大学战役研讨部水兵电子试验室关于海洋中枪虾引起的噪音研讨报告 | 参考文献[1]
科学家们用谨慎的数据和狡猾诙谐的插画描绘了枪虾们在海底极力制作噪音的场景。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]
枪虾的丧命兵器
受其时的科学条件所限，科学家们将噪音的来历直观地解释为枪虾巨螯的快速合闭磕碰。
在2000年前后，高速摄像机技能快速前进，荷兰特温特大学使用物理教授Lohse的研讨团队，经过剖析一种枪虾（Alpheus heterochaelis）的高速印象和水中的声波信号，指出枪虾的噪音并非来自于快速闭合的巨螯的磕碰，而是由于巨螯闭合时发生的高速射流引起的空化气泡（又称为空化气穴）[2]。
枪虾的噪音来自巨螯闭合时发生的高速射流引起的空化气泡 | Del Bohnenstiehl, NC State University
这些低压空化气泡由于压差的效果快速坍缩，会使空化气泡内的水蒸气和空气体积急剧紧缩，在坍缩到最小体积的瞬间（纳秒等级）发生极高的压力和温度（可达5000度），乃至发生激波和很多的光子[3]。
高速摄像机拍照到的枪虾巨螯闭合的进程 | Michael Price AAAS
这种独特的现象被称为“虾光现象”（Shrimpoluminescence）。相关的研讨结果别离宣布在了《天然》和《科学》两个尖端期刊上。Lohse教授也因而在搭档们的戏弄中获得了“虾人”的光荣称号。
枪虾使用这种超级“炮弹”，能够轻松击晕乃至杀死敌人或猎物，并发生高达210分贝的噪声，比实在的枪声（均匀150分贝）还要响，这让它们成为了海洋中的“噪声器”。
精妙的仿生学规划
2015年，我参加德州A&M大学（Texas A&M University）机械系等离子体试验室，跟从David Staack教授进行液体中等离子体的相关研讨。
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，并指出枪虾或许在水中生成等离子体，自此对枪虾发生了稠密的研讨爱好，乃至在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。
Staack教授的家中进击的条纹枪虾 | David Staack
机缘巧合，我进组后就刚好被安排到枪虾的项目中，这种独特的小生物结下了不解之缘，开端研讨它的“隐秘兵器”。
刚开端触摸这个课题，我就发觉到虾光是一个十分杂乱的现象。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使用物理的常识。想要人工“重现”这一现象并加以研讨也很困难。
在回忆历史研讨的进程中，有两篇风趣的研讨文献招引了我的目光其间一个是德国的David Hess博士等人[4]关于仿生规划二维虾螯闭合时发生的涡流研讨，别的一篇是根据速度最快的螳螂虾（Gonodactylus smithii，孔雀螳螂虾，皮皮虾的一种）规划的仿生设备忍虾（Ninjabot）[5]。这些奇思妙想的机械设备都很趣，可是都未能彻底揭开“激波等离子体枪”的隐秘。
不过，咱们从以往的文献和流体力学相关项目的经历推测出，虾螯的几许形状关于高速射流发生空化气穴至关重要。因而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规划，终究成功打造出了咱们自己的仿生激波等离子体枪设备，根本复原了“虾光现象”。
X光三维扫描得到的枪虾的巨螯的几许形状（A-C）和对应的扩大5倍的仿生设备部件(D-F) | 唐鑫，David Staack 参考文献[6]
一个典型的枪虾巨螯首要由四部分构成：螯锤、螯塞、螯槽以及和倒数第二关节衔接的螯节。其间螯锤与螯塞部分是首要的活动部分。枪虾的激波等离子体枪在发射前，会先将巨螯张开到必定视点，然后经过肌肉操控触发螯锤快速闭合，一起螯塞快速进入螯槽，迫使螯槽内的水从螯槽的射流通道快速排出。
这个进程类似于咱们在水中揉捏充溢水的医用注射器发生射流的进程，只不过咱们的速度远远达不到枪虾的速度（正所谓全国武功，唯快不破）。高速的射流使得水中部分方位的静压低于水的蒸汽压，让水在低压下直接欢腾汽化为水蒸气，这便是咱们看到的空化气泡。
这个进程类似于在水中揉捏充溢水的医用注射器发生射流 | Pexels
枪虾巨螯的外骨骼、肌肉和关节精美杂乱，并且在绵长的年月里进化出了合适“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设备来代替。因而我就将这部分简化为扭簧来为仿生枪虾设备供给动力，这个规划创意来历于捕鼠夹和起钉器。
仿生设备规划图中的离合器就像手枪扳机相同，在将装有扭簧的螯塞部分打开到必定视点后用离合器来固定蓄势待发的螯塞。在需求激起的时刻，抬起离合器，螯塞就会在扭簧的扭力效果下快速旋转闭合，将螯槽中的水从喷管形状的出口揉捏出来，构成高速的脉冲射流。
这高速脉冲射流以必定的视点从巨鳌的旁边面喷涌而出，构成低压的空化气泡。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，能够说是取之不尽用之不竭啊。咱们能够幻想一下玩儿RPG游戏时高爆弹药无限，犹如开挂一般的感觉。
仿生枪虾设备的CAD规划图和实物图 | 唐鑫 参考文献[6]
揭开虾光现象的真容
枪虾巨螯闭合时刻是数个毫秒，若想看清楚整个激波等离子体枪发射进程，至少需求1000帧每秒的高速摄像机，一般手机的慢速形式或许只能捕捉到一两帧空化气泡真容。
在高速摄像机下，咱们看到了仿生设备发生空化气泡的进程，以及空化气泡塌缩进程中发生的激波。
仿生枪虾设备生成空化气穴的进程 | 唐鑫，David Staack
空化气穴坍缩在水中生成的激波 | 唐鑫，David Staack
而虾光现象中发生的光十分弱小，有必要凭借十分杂乱的设备（比方一些特种摄像机）在极度漆黑的环境中才能够捕捉到。我在暗室中拍照到了第一张此类虾光现象的相片，这些发光的空化气泡相片在计算机处理后有便有了一种莫名的立体感。
枪虾仿生设备在海水中的虾光现象(A) 方位参照图，赤色方片符号是屡次试验捕捉到的虾光方位 (B) 具有饱满空气的海水中的虾光现象相片 | 唐鑫，David Staack
咱们的这种仿生设备发生空化气泡的转化功率大约达到了36%，是现在人工空化气泡几种办法中功率最高的[6]。
天然界中，枪虾使用这一强壮兵器能够进行捕食、防护、沟通以及在珊瑚礁上制作藏身之所。它们在生物进化进程中，现已将这种激波等离子体枪开发到了极致。
而这种发生空化的高效仿生设备的诞生，将极大地促进相关科学工程范畴的研讨发展——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，在钻井液中发生空化气穴，在岩石外表引起微裂纹，就能够进步钻井速率，极大地下降钻井本钱。别的，还或许会对污水处理，水下激波处理收回，水下声学设备以及削减流体阻力等范畴有所协助。
期望咱们的仿生设备未来能够发挥出难以想象的成效，协助处理更多工程范畴的问题奉献一臂之力。
花絮
在项目发展进程中，我还在网上买了五只佛罗里达的大螯枪虾（Alpheus heterochaelis）放在试验室内教授供给的海水鱼缸中。试验室小伙伴们还给每一只都取了姓名，自此每天看枪虾就成了试验室的一大文娱项目。枪虾们的激波等离子体枪威力巨大，乃至将健壮的鱼缸震出了裂缝，得亏咱们发现得早，不然缸中的海水全都漏光了……
威武雄壮的大螯枪虾和被震裂的鱼缸 | 唐鑫
关于详细的研讨细节，感爱好的朋友们能够直接戳链接看咱们宣布在Science Adcances上的文章：https://doi.org/10.1126/sciadv.aau7765
DOI: 10.1126/sciadv.aau7765
作者手刺
排版：凝音
题图来历：wikipedia by Arthur Anker CC
参考文献：
[1] D. of W. R. University of California, “Underwater noise caused by snapping shrimp” (San Diego, 1946), (available at https://escholarship.org/uc/item/30z3x42w).
[2] M. Versluis, B. Schmitz, A. von der Heydt, D. Lohse, How snapping shrimp snap: through cavitating bubbles. Science. 289, 2114–2117 (2000).
[3] D. Lohse, B. Schmitz, M. Versluis, Snapping shrimp make flashing bubbles. Nature. 413, 477–478 (2001).
[4] D. Hess, C. Brücker, F. Hegner, A. Balmert, H. Bleckmann, Vortex formation with a snapping shrimp claw. PLoS One. 8, e77120 (2013).
[5] S. M. Cox, D. Schmidt, Y. Modarres-Sadeghi, S. N. Patek, A physical model of the extreme mantis shrimp strike: kinematics and cavitation of Ninjabot. Bioinspir. Biomim. 9, 16014 (2014).
[6] X. Tang, D. Staack, Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation. Sci. Adv. 5, eaau7765 (2019).
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