Photo of a viper skull with fangs out.

模型计算刺牙、爪子和其他生物武器的能量学

实验室的研究人员。

Philip Anderson(左)和 Bingyang Zhang 开发并测试了一个数学模型的准确性,该模型可以预测生物穿刺系统的能量学。

弗雷德·兹威基摄

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伊利诺伊州尚佩恩——研究人员创建了一个模型,该模型可以计算当一个生物体用它的尖牙、荆棘、刺或其他穿刺部位刺伤另一个生物体时所涉及的能量。 研究人员表示,由于该模型可以应用于多种生物,它将帮助科学家研究和比较多种类型的生物穿刺工具。 它还将帮助工程师开发新系统,以有效地刺穿材料或抵抗被刺穿。

新发现发表在《皇家学会界面杂志》上。

张举起一小块明胶

张使用弹丸刺穿模拟动物组织的凝胶状材料来测试模型。

弗雷德·兹威基摄

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伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校进化、生态学和行为学教授菲利普·安德森说:“这背后的想法是提出一个定量框架,用于比较各种生物穿刺系统。”张炳阳研究员。 “这项研究的最初问题是我们如何测量这些不同的系统以使它们具有可比性。”

“预测生物系统的特性是一个具有挑战性的问题,”张说。

研究人员说,动植物部署了多种策略来刺杀猎物或保护自己免受其他生物的侵害,甚至那些使用类似策略或工具的人也会改变这些工具以满足其特定需求。 他们的目标也不同。

“例如,在毒蛇中,一些咬人的哺乳动物,这意味着它们必须刺穿包裹在皮肤中的软组织,而另一些则针对爬行动物,它们有鳞片,使它们更硬,更难刺穿,”研究力学和能量学的安德森说生物穿刺系统。

寄生蜂将产卵器刺入木头。

一些寄生蜂,像这些属 鱼神兽,可以使用它们的产卵器刺穿木头。

照片由美国鱼类和野生动物服务局拍摄

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他说,其他生物,如寄生蜂,可能会使用它们的产卵器从毛虫的皮中挖洞,但也可以穿透水果甚至木头。

为了开发一个可应用于各种系统的模型,Zhang 确定了在所涉及的任何能量学计算中必须包含的关键因素。 这些包括使用穿刺工具时动能的变化,但也考虑到目标组织的材料特性。

红头啄木鸟用它的喙刺穿木头。

红头啄木鸟用它的喙刺穿木头。

照片由 Andy Reago 和 Chrissy McClarren 拍摄,CC BY-SA 2.0

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这涉及描述初始动能如何将穿刺工具驱动到材料中的计算,随着裂缝的传播在材料中打开新的表面。 它还考虑了目标组织的摩擦阻力和弹性。

研究人员说,这些计算针对的是锥形穿刺工具,这在生物系统中很常见。

安德森正在部署新模型来帮助他研究刺穿生物体,如毒蛇毒牙、黄貂鱼刺和寄生蜂产卵器。

“如果我们知道穿刺工具造成的损伤的形态或形状,我们可以使用这个模型来预测穿刺场景中消耗了多少能量,”张说。 “或者我们可以预测材料特性的不同方面,例如,它将如何断裂,这将在工程和生物应用中都很有用。”

美国国家科学基金会支持这项研究。

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