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之前看过一个印象深刻的视频，来自美国的一位钓鱼爱好者。某一天，天气尚好，他穿上了新买的厚靴子，乘着自己的小皮划艇静静地漂浮在海面上垂钓。
不久后，他钓上来了一只十余厘米长的虾。拉起鱼竿后，他不小心把虾掉在了自己的脚边。几乎就在一瞬间，他开始捂着脚发出阵阵惨叫。
脚上刚买来的厚靴子——那天是只是他第二次穿——像是被什么东西击穿，出现了一个大洞。他挣扎着脱下靴子，只见脚上出现了一个明显的伤口，血流不止。
子弹般的拳头
他钓上来的这只小虾，正是有着“世界上最快的拳头”称号的螳螂虾（Stomatopoda）。螳螂虾生活在许多热带和亚热带的浅海区域，体长通常在10到18厘米之间，它们第二胸节上长着一对巨大的附肢，有着不同的形状，其中一些螳螂虾的这一对附肢呈棒状，看起来就像身前长了一对锤子，又好似一双带了拳套的大拳头。
螳螂虾的拳头（图中黄绿色的结构，图片来源：Andy Law）
而这一对拳头的威力可是举世闻名，螳螂虾能够用这对5mm宽的拳头在2.7毫秒内击打出超过自身体重1000倍的力，最高可达1500N。它们出拳的速度超过了20m/s，加速度超过105m/s^2，堪比一颗.22子弹！
不管是猎物、捕食者，还是入侵领地的侵犯者，遇上螳螂虾的拳头都很难全身而退。螳螂虾仅一拳就能击断螃蟹的钳子、击碎鱼的头骨或贝类动物的坚硬外壳，人工养殖的螳螂虾还经常一拳打碎水族馆的玻璃。
能达到此般威力，螳螂虾需要在极短时间内释放大量能量，而这都得益于它们拳头的特殊结构。它们附肢上的肌肉形成了一种类似弹簧的结构，而肌腱形成了类似闩锁的结构。当它们准备出拳时，肌肉会以最大限度收缩蓄力，就像压缩一个弹簧一样——而闩锁状肌腱的作用，便是“锁住”这个弹簧。等到“弹簧”被压到极限，弹性势能达到了最大时，“闩锁”就会立即打开，瞬间释放螳螂虾蓄足了力的拳头。科学家保守地计算了一下，发现要完成这个过程，至少需要每千克肌肉达到4.7×10^5瓦特的功率，这比已知的收缩最快的肌肉的功率还高出几个数量级。
螳螂虾一拳下去，直接施加在对手身上的力大约在400到1501N之间，但这只是螳螂虾给对手造成的第一重伤害。
二次伤害
在水中以极快的速度击中对手并回缩拳头时，螳螂虾拳头周围的水流速度异常之快，以至于形成一个低压区域。而众所周知，水的沸点会随压强的降低而降低。因此，拳头周围的低压环境会直接让这个区域的水发生局部沸腾，产生气泡，这个现象叫作“空化”（cavitation）。
这些“空化”气泡就像一个个小炸弹，会迅速坍塌破裂，并以光、热等形式释放大量能量，给螳螂虾的对手造成二次伤害——螳螂虾一次出拳后，因为“空化”产生的额外冲击力可以达到504N！
螳螂虾出拳时给对手造成的“双重伤害”（来源：Patek & Caldwell, 2005）
值得注意的是，船的螺旋桨在水中转动时，也会导致周围产生“空化”气泡。一个直径2.7毫米的“空化”气泡坍塌时，可以在大约5μs的时间内产生超过9兆帕的冲击压力，有时能直接摧毁船桨。因此，在船舶制造过程中，制造商都会想尽办法去除“空化”气泡对船体的影响。
船的螺旋桨在水中转动时，也会导致周围产生“空化”气泡（图片来源：U.S. Navy - Public Domain）
三重防御
让我们回到螳螂虾的拳头。牛顿第三定律告诉我们，你打一个人越用力，你的拳头受到的反作用力也会越大。而螳螂虾的一拳的力量能达到1500N并附加504N的“空化”伤害，在粉碎敌人的同时，它们自己又到底是怎样全身而退的？
对此，科学家一直有许多有意思的猜想，而最近发表在《科学》（Science）上的一项新研究中，科学家使用了一种基于激光的光谱分析技术，分析了应力波在螳螂虾拳头结构中的传递方式，又采用了皮秒激光超声波技术，进一步了解了螳螂虾拳头中的微观结构，最终验证了此前的猜想。
螳螂虾的拳头实际上由三层结构组成。第一层是直接参与撞击的接触表面，称为“撞击表面”（impact surface），十分薄，厚度仅为约70纳米，主要结构是纳米级别的羟基磷灰石，十分坚硬。第二层是厚度约为500纳米的“撞击区域”（impact region），由矿化的甲壳素纤维构成，呈“人字形”结构排列，这样的结构能有效地抵消和分散自身受到的冲击力。
第三层结构十分有趣，叫作“周期性区域”（periodic region），同样由甲壳素纤维束构成。在“周期性区域”中，甲壳素纤维束以一种特殊的螺旋结构分层排列，这使得这个区域形成了一种特殊的声学结构——“声子晶体”（phonoic crystal），这让它们能够选择性地过滤掉因为“空化”产生的高频应力波，防止破坏性振动传回螳螂虾的附肢和身体。
螳螂虾拳头的声学结构（图片来源：H. D. Espinosa Image with mantis shrimp hitting shell: R. Caldwell）
“高频横波对生物组织的破坏性尤为巨大，而’周期性区域’在选择性过滤高频横波方面起着至关重要的作用。”该研究的通讯作者之一，来自美国西北大学的奥拉西奥·D. 埃斯皮诺萨（Horacio D. Espinosa），“这有效地保护了螳螂虾，让它们免受直接撞击和气泡坍塌造成的破坏性应力波的影响。”
值得一提的是，具有“声子晶体”特性的人造材料经常出现在建筑学的领域中，这些材料都可以反射、吸收、散射具有特定频率的机械波。而此次对螳螂虾拳头结构的解析，则是罕见地发现了自然界中的天然“声子晶体”。研究者希望，此次的发现或许能给相关领域的超材料（metamaterial）设计，带来新的灵感。
参考链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq7100
https://www.science.org/content/podcast/how-mantis-shrimp-builds-its-powerful-club-and-mysteries-middle-earth
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv3100
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00386-8
https://www.eurekalert.org/news-releases/1072500
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1218764
https://journals.biologists.com/jeb/article/208/19/3655/15838/Extreme-impact-and-cavitation-forces-of-a
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