[Kreatives Kultivierungsprogramm] Schüsse, Kugeln und Rüstung: Die MAX-Version der Fangschreckenkrebse

Am 8. Juli 2022 um 11 Uhr zertrümmerte im Shirahama Aquarium an der Küste der Stadt Shirahama in Japan eine Fangschreckenkrebsart das Aquarium zweimal. 30 Minuten später wurde 120 Kilometer entfernt, in der Nähe des Bahnhofs Yamato-Saidaiji in Nara, ein ehemaliger japanischer Politiker von zwei Schüssen getroffen und stürzte zu Boden.

Für Wissenschaftskommunikatoren stehen theoretisch viele Themen zur Verfügung: Sie können Ihr Wissen über Schusswaffen nutzen, um Schrotflinten, Pistolen und selbstgebaute Schusswaffen vorzustellen. Sie können Ballistik und Forensik auch kombinieren, um über den Vorgang zu sprechen, wie Kugeln in den menschlichen Körper eindringen und ihn verletzen. Sie können auch wissenschaftliche und technikhistorische Materialien verwenden, um die Entstehung und Entwicklung kugelsicherer Westen zu beschreiben. Sie können auch die Prinzipien der Materialwissenschaft und Mechanik nutzen, um den Mechanismus „Verbindung, Transformation und Entwicklung“ kugelsicherer Stoffe bekannt zu machen.

Ich habe mich dafür entschieden, dem Artikel zunächst einen mehrdeutigen Titel voller Andeutungen und ein prätentiöses Vorwort zu geben, das den Schmetterlingseffekt nachahmt. Dies liegt daran, dass der Protagonist dieses Artikels, die Fangschreckenkrebsart, alle wissenschaftlichen Elemente, die eng mit dem Attentat in Verbindung gebracht werden können, perfekt in sich vereint: einen japanischen Attentäter, eine selbstgebaute Pistole, eine tödliche Kugel und eine lebensrettende kugelsichere Weste.

Geschrieben von | BiPuXianren

Die MAX-Version der Fangschreckenkrebse

Fangschreckenkrebse erfreuen sich bei den Menschen großer Beliebtheit. Sie wurden von unzähligen Gästen verzehrt, sind auch als Reittiere in Emoticons zu finden und wurden sogar von Kunstmeistern gewürdigt. Viele Zuschauer haben aus dem Film „Der Gott der Kochkunst“ erfahren, dass Fangschreckenkrebse auch als Mantis Shrimps bezeichnet werden und man sie „mit Rindfleisch mischen und daraus explodierende Fangschreckenkrebsbällchen machen kann“. Der Name Fangschreckenkrebse rührt daher, dass aus ihrem Hinterleib Wasser austritt, nachdem sie gefangen wurden.

Da Fangschreckenkrebse gottesanbeterinähnliche, sichelartige Vorderbeine haben, werden sie im Englischen „Mantis Shrimp“ genannt, was wörtlich „Fangschreckenkrebs“ bedeutet.

Die Pfauen-Fangschreckenkrebse und die Fangschreckenkrebse sind nahe Verwandte und gehören beide zum Stamm Arthropoda, Unterstamm Crustacea, Klasse Malacarides, Unterklasse Prawns, Ordnung Stomatopoda (nicht streng genommen Garnelen). Ersterer gehört jedoch zur Familie Odontodactylidae innerhalb der Überfamilie Gonodactyloidea und hat den wissenschaftlichen Namen „Odontodactylus scyllarus“. Letztere ist ein Mitglied der Familie Squillidae innerhalb der Überfamilie Squilloidea und trägt den wissenschaftlichen Namen „Oratosquilla oratoria“.
Wer es nicht so genau nimmt, kann die Pfauen-Mantis-Garnele auch Pfauen-Mantis-Garnele nennen.

Diese Standardgarnelen wie Garnelen, Rote Garnelen, Hummer usw. sind entfernte Verwandte der Fangschreckenkrebse und gehören zur Klasse der Weichpanzer – Unterklasse der Echten Weichpanzer – Ordnung der Zehnfußkrebse.

Abbildung 1. Skizze der äußeren Morphologie von Garnelen. Oben: gewöhnliche Garnele; unten: Fangschreckenkrebse. [1]

Wenn Sie die Pfauen-Mantis-Garnele zum ersten Mal sehen, werden Sie von ihrer Aufrichtigkeit berührt sein, denn ihr über zehn Zentimeter langer Körper ist so ausgefallen wie ihr Name: wie ein Miniatur-Pfau mit ausgebreitetem Schwanz oder wie länglicher Regenbogenbernstein.

Ein türkisfarbener Rücken, leuchtend rote und karmesinrote Beine und Unterleib, rote, orange, gelbe, grüne, blaue, indigoblaue und weiße Tentakeln, dunkelblaue Augenstiele und große Augen im Industrial-Punk-Stil.

Fotografen, die ihnen begegnen, lassen sich keine Gelegenheit entgehen, sie in einem Standbild festzuhalten, zwanghafte Betrachter ziehen ihre Paletten hervor, um sie mit ihnen zu vergleichen, und skurrile Evolutionisten spekulieren, dass ihre Pracht der von Pfauen ähnelt, die sich zum anderen Geschlecht hingezogen fühlen und daher monogam sind.[3] Aber ehrlich gesagt sind wir nicht sicher, ob sie ihren eigenen Charme auf die gleiche Weise zu schätzen wissen wie wir.

Schönheit sehen, aber Farbe nicht beurteilen

Das visuelle System der Pfauen-Mantis-Garnele ist eher industriell als punkig.

Abbildung 3. Das Photorezeptorsystem der Fangschreckenkrebse. [4]

Die meisten Säugetiere, einschließlich des Menschen, haben in ihrer Netzhaut nur drei Arten von Fotorezeptoren, die für rotes, grünes und blaues Licht empfindlich sind. Die Augen der Fangschreckenkrebse besitzen 12 verschiedene Rezeptoren (manche Arten haben sogar 16), von denen acht das für den Menschen sichtbare Spektrum abdecken und vier im ultravioletten Bereich liegen. Darüber hinaus können sie polarisiertes Licht wahrnehmen.

Abbildung 4. Die lichtempfindlichen Kanäle des menschlichen Auges sind im Vergleich zu denen der Fangschreckenkrebse mittelmäßig. [4]

Die luxuriöse Retina-Konfiguration mit 12 lichtempfindlichen Kanälen ermöglicht ihnen jedoch keine hervorragende Farbauflösung. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Menschen Farben bei einer Wellenlängendifferenz von 5 Nanometern unterscheiden können, während Fangschreckenkrebse im Bereich von 15 bis 25 Nanometern Schwierigkeiten haben.

Der Grund für diesen Kontrast liegt darin, dass sich ihr visuelles System eher auf die „technische Erkennung“ als auf die „künstlerische Wertschätzung“ konzentriert.

Die Zapfen im menschlichen Auge sind eng miteinander verbunden und bilden einen komplexen Mechanismus. Unterschiede in der Reaktion dieser Zellen auf Licht, kombiniert mit der Verarbeitung der Antwortsignale durch neuronale Computernetzwerke, ermöglichen es uns, subtile Farbunterschiede wahrzunehmen.

Im Gegensatz dazu arbeiten die Zapfen der Fangschreckenkrebse „unabhängig voneinander, ohne dass komplexe neuronale Berechnungen erforderlich sind“, und wenn die lichtempfindlichen Informationen die Netzhaut verlassen und das zentrale Nervensystem erreichen, entstehen „massive parallele Datenströme“, die es der visuellen Zentrale ermöglichen, mehrere Daten gleichzeitig zu verarbeiten. Dieses visuelle System hat oft Schwierigkeiten, verschiedene Farben genau zu unterscheiden, kann jedoch das Vorhandensein von Farben schnell erkennen, was den Fangschreckenkrebsen dabei hilft, natürliche Feinde oder Beutetiere genau zu erkennen [4, 6].

Mantis-Waffe

Für einen Assassinen reicht Schärfe allein nicht aus. Eine selbstgebaute Pistole ist der Schlüssel, um jemanden in einer Menschenmenge zu töten.
Die Pfauen-Mantis-Garnele besitzt zwei Pistolen, nämlich ihre beiden hammerartigen Greifarme/Beine.

Die Mantis-Waffe funktioniert ähnlich wie Pfeil und Bogen.

Die Bogenhand des Bogenschützen bewegt sich horizontal in die entgegengesetzte Richtung des Pfeils, wodurch die Bogensehne elastische potentielle Energie ansammelt und diese dann freigibt, wobei die potentielle Energie der Sehne in die kinetische Energie des Pfeils umgewandelt wird. Das Mantis-Gewehr verwendet einen komplexeren Mechanismus, um die Kraft eines Compoundbogens zu erreichen.

Werfen wir anhand der Abbildung oben einen Blick auf die Arbeitsweise dieser Gruppe von Institutionen. Da das Diagramm eine große Anzahl obskurer, arthropodenspezifischer Begriffe enthält, werden wir der Kürze und Vereinfachung halber vorübergehend alle biologischen Konzepte außer Acht lassen und die Vorderbeine der Raubtiere lediglich als mechanische Strukturen betrachten.

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die Essenz der Mantis Gun in „eine Kugel, zwei Herzen“ liegt:
Mit „One Spring“ ist die im Englischen „saddle“ genannte Feder gemeint, die für die Kraftübertragung auf den Mechanismus zuständig ist. Die Fangschreckenkrebse nutzen die starken Kontraktionsmuskeln ihrer räuberischen Vorderbeine (auf dem Bild nicht zu sehen), um die Feder stark zusammenzudrücken und so potenzielle Energie zu speichern. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich auch die Streckmuskeln (in der Abbildung rot dargestellt) in einem kontrahierten Zustand.

„Zwei Zentren“ bezieht sich auf zwei Drehpunkte, den ersten Drehpunkt und den zweiten Drehpunkt, die in der Abbildung der untere Punkt von „Merus-V“ (schwarzer Punkt) und der Verbindungspunkt von „Carpus“ und „Merus-V“ (weißer Punkt) sind. Wenn die straffe Feder losgelassen wird, wird die potentielle Energie sofort freigesetzt, der Streckmuskel dehnt sich, der Merus-V rotiert gegen den Uhrzeigersinn um die erste Achse, die Handwurzel rotiert im Uhrzeigersinn um die zweite Achse und die an der Handwurzel befestigte „Sichel“ rotiert im Uhrzeigersinn.

Das heißt, „Propodus+Daktylus“, der schnell geschwungen wird, wobei der Daktylus dem Ziel direkten Schaden zufügt.

Wie schnell schwingt die Sichel? Die Daten sind am intuitivsten [7, 9, 10]:

Die Beschleunigung nach dem Start kann das 10.400-fache der Erdbeschleunigung erreichen, also mehr als 105 m/s², vergleichbar mit einer Kugel des Kalibers .22 und dem Kolben eines F1-Motors.

Ein vollständiger Schwung dauert etwa 2,7 Millisekunden, bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 83 Kilometern pro Stunde; Während ein menschlicher Blinzelvorgang 100 bis 400 Millisekunden dauert, kann die Fangschreckenkrebsart im Handumdrehen Hunderte von Tötungen durchführen.

Die Schlagkraft kann 1500 Newton erreichen, das Tausendfache seines eigenen Körpergewichts, genug, um die Schale der Beute leicht zu durchdringen und sogar das Aquarienglas zu zerbrechen; die Schlagkraft eines Profiboxers beträgt etwa 5000 Newton.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass die oben genannten Daten alle unter Wasser erzielt wurden ...

Seelenzerstörende Kavitationsbombe

Dennoch müssen wir die furchterregende Feuerkraft der Mantis-Kanone bewundern. Da es sich jedoch um eine Waffe handelt, sollte sie mit Kugeln ausgestattet sein.

Die Kugeln der Mantis-Kanone werden „Kavitationsgeschosse“ genannt. Es handelt sich dabei nicht um Platzpatronen oder Hohlgeschosse. Es handelt sich um Kavitationsgeschosse, deren englischer Name „cavitation bubble“ lautet.

Kavitation ist ein Phänomen der Strömungsmechanik: Wenn eine Flüssigkeit einer schnellen Druckänderung ausgesetzt ist, bildet sich in ihrem Inneren ein Dampfhohlraum. Die Flüssigkeit füllt dann den Hohlraum sehr schnell, so schnell, dass die Kavitationsblase kollabiert oder implodiert und eine heftige Stoßwelle erzeugt.

Abbildung 8. Der Prozess des Kollabierens einer Kavitationsblase und des Aufpralls auf die darunterliegende Ebene [11]
Da die Vorderbeine des Raubtiers so schnell zuschlagen, verdunstet das Wasser im Aufprallbereich sofort und es bilden sich zahlreiche Kavitationsblasen, die dann rasch gemeinsam implodieren und so den tödlichen Kavitationsschuss auslösen.

Theoretisch kann der Kollaps einer Kavitationsblase mit einem Durchmesser von 2,7 mm einen Aufprall mit einer Stärke von über 9 MPa (900 N/cm2) erzeugen. Das von der Mantis-Kanone erzeugte Kavitationsgeschoss entspricht einem 500-Newton-Schlag[12].

Selbst wenn es der Beute gelingt, dem heftigen Schlag standzuhalten, kann sie dem Sekundärschlag des Kavitationsgeschosses nicht entkommen.

Die enorme Tödlichkeit der Fangschreckenkrebse trägt dazu bei, dass sie in der marinen Nahrungskette einen hohen Stellenwert einnehmen. Nur absolut zerstörerische Lebewesen wie Killerwale, Haie, zwei oder drei Meter lange Blauflossenthunfische, ein oder zwei Meter lange Barrakudas usw. können Sanktionen gegen die Größe von Fangschreckenkrebsen verhängen. In vielen Fällen jagen sie Beute, die größer ist als sie selbst, wie beispielsweise verschiedene Krabben südlich der japanischen Halbinsel Kii, verschiedene Garnelen rund um Guam und bestimmte Fische in den Gewässern Taiwans, Chinas.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Pfauen-Mantis-Garnele, die den Stil des japanischen Bushido besitzt, nicht nur in der Nähe von Japan lebt, sondern auch in den Küstengewässern des Indischen Ozeans und des Pazifischen Ozeans weit verbreitet ist.

Abbildung 9. Globale Verbreitung der Fangschreckenkrebse. Der gelbe Bereich ist das Meeresgebiet, in dem sie aktiv sind. Nanki-Shirahama ist eines der Hauptverbreitungsgebiete der Pfauen-Mantis-Garnele in Japan. [13]

Panzerung schützt die Waffe vor Verletzungen

An dieser Stelle wurden die Elemente „Attentäter“, „Schießen“ und „Kugel“ im Titel des Artikels alle erwähnt, und es fehlt nur noch „Rüstung“.
Natürlich müssen auch Assassinen kugelsichere Westen tragen, allerdings wird die Rüstung der Peacock-Mantis-Garnele nicht am Körper getragen und dient auch nicht der Abwehr von Feinden, sondern ist an der Mantis-Kanone angebracht. Ohne dieses Paar kugelsicherer Ausrüstungen wären ihre Attentate wie die Faust der Sieben Wunden, bei der sie den Feind töten und sich selbst verletzen würden.

Wie bereits erwähnt, kann der Kampfstil der Pfauenschreckenkrebse als wild und schnell beschrieben werden, und die Wildheit beruht darauf, dass der Schlagteil der Raubtier-Vorderbeine – der „Daktylus“, der in direkten Kontakt mit dem Ziel kommt – hart und schwer genug ist. Ob es hart und schwer ist, hängt von der inneren Materialstruktur ab. (Daktylus und Propodus wurden im vorherigen Artikel anhand von Bildern vorgestellt. Sie können sich den Daktylus als die Klinge einer Sichel oder den Kopf eines Hammers vorstellen und den Propodus als den Griff.)

Abbildung 10. Schematische Darstellung: Der Teil des Vorderbeins des Raubtiers, der für das Töten verantwortlich ist und gleichzeitig den Hauptkörper der Gottesanbeterin darstellt. Dieser Teil besteht aus dem Daktylus und dem Propodus. [6]

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das vordere Ende des Daktylus, die rote „Aufprallfront“ im Bild oben, eine hohe Konzentration an Mineralien, hauptsächlich Hydroxylapatit, enthält und einen hohen Grad an Kristallinität aufweist. Es ist der härteste, steifste und am wenigsten verformbare Teil der gesamten Struktur mit einem Elastizitätsmodul von bis zu 65–70 GPa.

Der Elastizitätsmodul ist eine physikalische Größe, die die Elastizität eines Materials beschreibt. Sein Zahlenwert gibt an, wie leicht sich das Material unter Einwirkung äußerer Kräfte verformt. Je größer der Elastizitätsmodul, desto steifer ist das Material und desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Verformung. Natürlich können äußere Kräfte auf viele Arten wirken, beispielsweise durch Dehnung nach außen, Quetschung nach innen und seitliche Scherung. Auch der Elastizitätsmodul umfasst natürlich viele Typen.

Der Elastizitätsmodul gibt hierbei die Leichtigkeit wieder, mit der sich ein Material bei der Extrusion verformt. Die Experimentatoren verwendeten die Nanoindentationsmethode, um den Druckelastizitätsmodul der Aufprallfront zu messen.

Der Druckelastizitätsmodul des Kupferblocks beträgt etwa 130 GPa oder 1,3 × 1011 Pa, und der Elastizitätsmodul der Stahlfaser liegt bei etwa 36 GPa. Allerdings weist die Aufprallfront mit einer Schichtdicke von nur 50–70 μm einen Elastizitätsmodul von bis zu 70 GPa auf, was selten vorkommt. Diese Materialhärte sorgt dafür, dass es stark und kraftvoll ist und jeder Schlag ins Fleisch trifft.[6]

Aber wir alle wissen, dass selbst die härtesten Dinge leicht zerbrechen können, und zu viel Stärke kann leicht zu inneren Verletzungen führen und hält oft nicht lange. Während die Mantis-Geschütze den Feind heftig angreifen, sind sie auch der Gegenschlagskraft ausgesetzt. Wie können sie also verhindern, dass die Reaktionskräfte zurückschlagen?

Der Grund dafür liegt darin, dass sich hinter der Aufprallfront eine klar definierte Pufferzone befindet. Diese Pufferzonen dienen dem Waffen- und Panzerschutz.

Mithilfe verschiedener Charakterisierungsmethoden stellten die Forscher fest, dass sich die Materialstruktur der Pufferzone stark von der der Aufprallzone unterscheidet. Die Aufprallzone besteht hauptsächlich aus dem Mineral Apatit, das hart und spröde ist. Die Pufferzone ist eine Kombination aus anorganischen Mineralien und organischen Polymeren, wobei das anorganische Material hauptsächlich aus amorphem Calciumphosphat und Calciumbicarbonat besteht und das Polymer Chitin ist, das elastisch und weich ist, im anorganischen Material verteilt ist und für die Absorption von Aufprallenergie und die Stoßdämpfung verantwortlich ist[6].

Abbildung 11. Die Materialstruktur der Übergangszone wird immer noch von Mineralien dominiert, aber die Zusammensetzung hat sich im Vergleich zur Aufprallfront geändert und der Elastizitätsmodul ist auf 35 GPa gesunken. Die Elastizitätsmodule der beiden Pufferzonen betragen lediglich 5 GPa und 10 GPa. [6]

Um eine unpassende Analogie zu verwenden: Mineralien sind wie eine große Kiste mit Glasflaschen. Wenn die Kiste auf den Boden fällt, wird das Glas wahrscheinlich zerbrechen. Wenn Sie die Box jedoch mit Schwämmen oder Chitin füllen, wird das Glas nicht so leicht beschädigt.

Dank ihres Chitin-Spiralpanzers ist die Fangschreckenkrebsart hart und flexibel zugleich und verfügt über eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen. Es kann Tausenden von hochenergetischen Stößen standhalten und wird schließlich während der periodischen Häutung der Fangschreckenkrebse erneuert.[14]

Auch der Panzer der Fangschreckenkrebse hat als Inspiration für den kugelsicheren Bereich gedient.
Forscher in den USA haben ein ultrastarkes Verbundmaterial aus Kohlenstofffaserschichten entwickelt, das die Struktur dieses natürlichen Materials imitiert. Testergebnisse zeigen, dass das neue Material 15–20 % mehr Aufprallenergie absorbieren kann als üblicherweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendete Materialien[15]. Darüber hinaus haben sie eine Materialstruktur im 3D-Druckverfahren gedruckt, die von der Mantis-Pistole inspiriert war[16].

David Kisailus, ein biomimetischer Materialwissenschaftler, ist der korrespondierende Autor der Studie. Er widmet sich seit langem der Beobachtung und Nachbildung von Fangschreckenkrebsen und erhält dafür großzügige finanzielle Unterstützung vom US-Verteidigungsministerium. „Je mehr wir über die räuberischen Vorderbeine der Fangschreckenkrebse lernen, desto klarer wird uns, dass ihre Struktur viele Dinge unseres täglichen Lebens verbessern könnte, wie zum Beispiel stärkere kugelsichere Westen, Footballhelme, Flugzeuge und Autos.“

Verweise

[1] https://aquariumbreeder.com/dwarf-shrimp-external-anatomy/#open

[2] https://www.thoughtco.com/mantis-shrimp-facts-4582442

[3] https://oceana.org/marine-life/peacock-mantis-shrimp/

[4] https://scholarblogs.emory.edu/artsbrain/2020/03/05/vision-in-mantis-shrimp/

[5] https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-mantis-shrimp-sees-like-a-satellite

[6] https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1245824

[7] https://www.nature.com/articles/428819a

[8] https://youtu.be/ti2Uoc1RXuQ

[9] https://journals.biologists.com/jeb/article/208/19/3655/15838/Extreme-impact-and-cavitation-forces-of-a

[10] https://ourmarinespecies.com/c-lobsters/mantis-shrimps/

[11] https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302119

[12] https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/3.8027

[13] https://kids.nationalgeographic.com/animals/inenchants/facts/peacockmantisshrimp

[14] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jmor.1051460104

[15] https://phys.org/news/2014-04-mantis-shrimp-stronger-airplanes.html

[16] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600786

Quelle: Fanpu

Wissenschaftspopularisierung China - Programm zur Förderung der Schöpfung