用堪比子彈的拳頭爆錘敵人，竟沒被衝擊波震碎自己，它的拳頭又快又“硬”

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導語：子彈能擊穿堅硬的物體，但很難保全自身，最終要麼形變扭曲，要麼直接四分五裂。而這傢伙有子彈般的拳頭，還逃過了子彈的悲壯結局。

撰文 | 冬鳶

審校 | 王昱

之前看過一個印象深刻的影片，來自美國的一位釣魚愛好者。某一天，天氣尚好，他穿上了新買的厚靴子，乘著自己的小皮划艇靜靜地漂浮在海面上垂釣。

不久後，他釣上來了一隻十餘釐米長的蝦。拉起魚竿後，他不小心把蝦掉在了自己的腳邊。幾乎就在一瞬間，他開始捂著腳發出陣陣慘叫。

腳上剛買來的厚靴子——那天是隻是他第二次穿——像是被什麼東西擊穿，出現了一個大洞。他掙扎著脫下靴子，只見腳上出現了一個明顯的傷口，血流不止。

子彈般的拳頭

他釣上來的這隻小蝦，正是有著“世界上最快的拳頭”稱號的螳螂蝦（Stomatopoda）。螳螂蝦生活在許多熱帶和亞熱帶的淺海區域，體長通常在10到18釐米之間，它們第二胸節上長著一對巨大的附肢，有著不同的形狀，其中一些螳螂蝦的這一對附肢呈棒狀，看起來就像身前長了一對錘子，又好似一雙帶了拳套的大拳頭。

螳螂蝦的拳頭（圖中黃綠色的結構，圖片來源：Andy Law）

而這一對拳頭的威力可是舉世聞名，螳螂蝦能夠用這對5mm寬的拳頭在2.7毫秒內擊打出超過自身體重1000倍的力，最高可達1500N。它們出拳的速度超過了20m/s，加速度超過105m/s^2，堪比一顆.22子彈！

不管是獵物、捕食者，還是入侵領地的侵犯者，遇上螳螂蝦的拳頭都很難全身而退。螳螂蝦僅一拳就能擊斷螃蟹的鉗子、擊碎魚的頭骨或貝類動物的堅硬外殼，人工養殖的螳螂蝦還經常一拳打碎水族館的玻璃。

螳螂蝦的出拳機制（圖片來源：Junnn11 – Own work, CC BY-SA 4.0）

能達到此般威力，螳螂蝦需要在極短時間內釋放大量能量，而這都得益於它們拳頭的特殊結構。它們附肢上的肌肉形成了一種類似彈簧的結構，而肌腱形成了類似閂鎖的結構。當它們準備出拳時，肌肉會以最大限度收縮蓄力，就像壓縮一個彈簧一樣——而閂鎖狀肌腱的作用，便是“鎖住”這個彈簧。等到“彈簧”被壓到極限，彈性勢能達到了最大時，“閂鎖”就會立即開啟，瞬間釋放螳螂蝦蓄足了力的拳頭。科學家保守地計算了一下，發現要完成這個過程，至少需要每千克肌肉達到4.7×10^5瓦特的功率，這比已知的收縮最快的肌肉的功率還高出幾個數量級。

螳螂蝦一拳下去，直接施加在對手身上的力大約在400到1501N之間，但這只是螳螂蝦給對手造成的第一重傷害。

二次傷害

在水中以極快的速度擊中對手並回縮拳頭時，螳螂蝦拳頭周圍的水流速度異常之快，以至於形成一個低壓區域。而眾所周知，水的沸點會隨壓強的降低而降低。因此，拳頭周圍的低壓環境會直接讓這個區域的水發生區域性沸騰，產生氣泡，這個現象叫作“空化”（cavitation）。

這些“空化”氣泡就像一個個小炸彈，會迅速坍塌破裂，並以光、熱等形式釋放大量能量，給螳螂蝦的對手造成二次傷害——螳螂蝦一次出拳後，因為“空化”產生的額外衝擊力可以達到504N！

螳螂蝦出拳時給對手造成的“雙重傷害”（來源：Patek & Caldwell, 2005）

值得注意的是，船的螺旋槳在水中轉動時，也會導致周圍產生“空化”氣泡。一個直徑2.7毫米的“空化”氣泡坍塌時，可以在大約5μs的時間內產生超過9兆帕的衝擊壓力，有時能直接摧毀船槳。因此，在船舶製造過程中，製造商都會想盡辦法去除“空化”氣泡對船體的影響。

船的螺旋槳在水中轉動時，也會導致周圍產生“空化”氣泡（圖片來源：U.S. Navy – Public Domain）

三重防禦

讓我們回到螳螂蝦的拳頭。牛頓第三定律告訴我們，你打一個人越用力，你的拳頭受到的反作用力也會越大。而螳螂蝦的一拳的力量能達到1500N並附加504N的“空化”傷害，在粉碎敵人的同時，它們自己又到底是怎樣全身而退的？

對此，科學家一直有許多有意思的猜想，而最近發表在《科學》（Science）上的一項新研究中，科學家使用了一種基於雷射的光譜分析技術，分析了應力波在螳螂蝦拳頭結構中的傳遞方式，又採用了皮秒雷射超聲波技術，進一步瞭解了螳螂蝦拳頭中的微觀結構，最終驗證了此前的猜想。

螳螂蝦的拳頭實際上由三層結構組成。第一層是直接參與撞擊的接觸表面，稱為“撞擊表面”（impact surface），十分薄，厚度僅為約70奈米，主要結構是奈米級別的羥基磷灰石，十分堅硬。第二層是厚度約為500奈米的“撞擊區域”（impact region），由礦化的甲殼素纖維構成，呈“人字形”結構排列，這樣的結構能有效地抵消和分散自身受到的衝擊力。

第三層結構十分有趣，叫作“週期性區域”（periodic region），同樣由甲殼素纖維束構成。在“週期性區域”中，甲殼素纖維束以一種特殊的螺旋結構分層排列，這使得這個區域形成了一種特殊的聲學結構——“聲子晶體”（phonoic crystal），這讓它們能夠選擇性地過濾掉因為“空化”產生的高頻應力波，防止破壞性振動傳回螳螂蝦的附肢和身體。