Nổi tiếng với cú đấm mạnh mẽ, tôm bọ ngựa có thể đập vỡ vỏ với lực tương đương viên đạn cỡ .22. Tuy nhiên, điều đáng kinh ngạc là những sinh vật cứng cáp này vẫn nguyên vẹn bất chấp các sóng xung kích mạnh mẽ do chính cú đấm của chúng tạo ra.
Các nhà khoa học từ Đại học Northwestern đã giải mã được bí mật giúp tôm bọ ngựa “bất khả xâm phạm” trước chính cú đấm của mình. Hóa ra, “găng tay đấm” (hay còn gọi là chùy đốt) của chúng được cấu tạo từ nhiều lớp mẫu đặc biệt, có khả năng lọc âm thanh một cách chọn lọc. Cơ chế này hoạt động như một lá chắn, ngăn chặn các rung động cụ thể, từ đó bảo vệ tôm khỏi các sóng xung kích do chính mình tạo ra.
Kết quả nghiên cứu này sẽ được công bố vào thứ Sáu (ngày 7 tháng 2) trên tạp chí Khoa học.
Những phát hiện này có tiềm năng ứng dụng trong tương lai để chế tạo các vật liệu nhân tạo có khả năng lọc âm cho trang bị bảo hộ. Ngoài ra, nó còn có thể mở ra những hướng tiếp cận mới trong việc giảm thiểu chấn thương do sóng xung kích trong lĩnh vực quân sự và thể thao.
Giáo sư Horacio D. Espinosa từ Đại học Northwestern, đồng tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Tôm bọ ngựa nổi tiếng với cú đấm siêu mạnh, có thể đập vỡ vỏ động vật thân mềm và thậm chí làm nứt kính bể cá. Tuy nhiên, để liên tục thực hiện những cú đấm mạnh mẽ như vậy, chùy đốt của tôm bọ ngựa cần có một cơ chế bảo vệ cực kỳ hiệu quả để tránh tự làm tổn thương chính mình. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào độ cứng và khả năng chống nứt của chùy, xem nó như một tấm chắn va đập được gia cố. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng nó sử dụng các cơ chế âm học – những cấu trúc có khả năng lọc sóng ứng suất một cách chọn lọc. Nhờ đó, tôm có thể duy trì khả năng tấn công qua nhiều lần va chạm mà không bị tổn thương mô mềm. Giáo sư Espinosa, một chuyên gia hàng đầu về vật liệu sinh học, hiện đang giữ chức Giáo sư James N. và Nancy J. Farley về Sản xuất và Khởi nghiệp, đồng thời là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Trường Kỹ thuật McCormick thuộc Đại học Northwestern. Tại đây, ông đảm nhiệm vai trò giám đốc Viện Công nghệ Kỹ thuật Tế bào. Trong nghiên cứu này, Giáo sư Espinosa đã hợp tác chặt chẽ với Tiến sĩ M. Abi Ghanem đến từ Viện Ánh sáng và Vật chất – một tổ chức nghiên cứu liên kết giữa Đại học Claude-Bernard-Lyon-I và Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp.
Cú đấm hủy diệt
Tôm bọ ngựa, sinh sống trong vùng biển nông và ấm áp nhiệt đới, sở hữu một vũ khí đặc biệt: mỗi bên cơ thể chúng có một chùy đốt giống như chiếc búa. Những chùy này là nơi tích tụ năng lượng trong các cấu trúc đàn hồi như lò xo, được giữ chặt bởi các gân có chức năng như chốt khóa. Khi chốt mở ra, năng lượng dồn nén bùng phát, đẩy chùy về phía trước với một sức mạnh kinh hoàng.
Chỉ với một cú đấm, tôm bọ ngựa có thể hạ gục con mồi hoặc đánh đuổi kẻ xâm phạm lãnh thổ. Khi cú đấm xé toạc làn nước xung quanh, nó tạo ra một vùng áp suất thấp phía sau, khiến các bọt khí hình thành. Giáo sư Espinosa giải thích: “Khi tôm bọ ngựa tung đòn, cú va chạm tạo ra các sóng áp suất lên mục tiêu. Đồng thời, nó cũng tạo ra các bọt khí, và những bọt khí này nhanh chóng vỡ ra, sinh ra các sóng xung kích ở tần số megahertz. Khi các bọt khí vỡ, chúng giải phóng những đợt năng lượng cực mạnh, lan truyền qua chùy của tôm. Hiệu ứng sóng xung kích thứ cấp này, kết hợp với lực va chạm ban đầu, khiến cho cú đánh của tôm bọ ngựa trở nên càng thêm hủy diệt.”
Cấu trúc bảo vệ kỳ diệu
Thật đáng kinh ngạc, lực mạnh này lại không gây tổn thương cho hệ thần kinh và các mô mềm nhạy cảm của tôm, vốn được bảo vệ bên trong bộ áo giáp của chúng.
Để tìm hiểu về hiện tượng này, Giáo sư Espinosa và các cộng sự đã sử dụng hai kỹ thuật tiên tiến để nghiên cứu chi tiết bộ giáp của tôm bọ ngựa. Đầu tiên, họ áp dụng phương pháp quang phổ cách tử thoáng qua, một kỹ thuật dựa trên laser để phân tích cách thức lan truyền của sóng ứng suất qua vật liệu. Tiếp theo, họ sử dụng kỹ thuật siêu âm laser picosecond, giúp hiểu sâu hơn về cấu trúc vi mô của bộ giáp.
Kết quả thí nghiệm cho thấy có hai vùng riêng biệt trong chùy của tôm bọ ngựa, mỗi vùng được thiết kế cho một chức năng đặc biệt. Vùng va chạm, có nhiệm vụ tạo ra những cú đấm hủy diệt, được cấu tạo từ các sợi khoáng hóa xếp theo hình xương cá, giúp nó có khả năng chống vỡ. Bên dưới lớp này là vùng tuần hoàn với các bó sợi xoắn như đinh ốc. Những bó sợi này tạo nên cấu trúc Bouligand – một kiểu sắp xếp nhiều lớp, trong đó mỗi lớp được xoay dần so với các lớp kế cận.
Trong khi cấu trúc xương cá giúp chùy chống chọi với các vết nứt, thì bố trí hình xoắn ốc lại điều khiển cách thức sóng ứng suất lan truyền qua cấu trúc. Thiết kế tinh vi này đóng vai trò như một tấm chắn âm học, chọn lọc lọc bỏ các sóng ứng suất tần số cao, ngăn chặn những rung động có hại lan truyền ngược vào cánh và cơ thể của tôm.
Giáo sư Espinosa giải thích: “Vùng tuần hoàn đóng vai trò then chốt trong việc chọn lọc lọc bỏ các sóng cắt tần số cao, vốn đặc biệt nguy hại đối với các mô sinh học. Cơ chế này hiệu quả bảo vệ tôm khỏi các sóng ứng suất gây hại do va chạm trực tiếp và sự vỡ bọt khí.”
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã phân tích các mô phỏng 2D về hành vi của sóng. Giáo sư Espinosa cho rằng cần có các mô phỏng 3D để hiểu đầy đủ cấu trúc phức tạp của chùy.
Giáo sư Espinosa nhấn mạnh: “Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào mô phỏng 3D phức tạp hơn để hiểu rõ cách cấu trúc của chùy tương tác với sóng xung kích. Bên cạnh đó, việc thiết kế các thí nghiệm dưới nước với trang thiết bị tối tân nhất sẽ giúp chúng tôi khám phá cơ chế hoạt động của các tính chất âm học trong môi trường ngập nước.”
Nghiên cứu mang tên “Tôm bọ ngựa có sở hữu tấm chắn âm học?” đã nhận được sự hỗ trợ từ Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân, Văn phòng Nghiên cứu Hải quân và Quỹ Khoa học Quốc gia.
