[上图]螳螂虾不仅看到彩色，他们也穿彩色衣服。信贷:多萝西娅OLDANI, Unsplash
自然是鼓舞人心的。
以Mariah Reading的画作为例，这幅画描绘了国家公园里美丽的风景，周围都是废弃的垃圾她作品的画布．或者像艺术科学家那样的作品巴拉罗姆Khamari他用微生物作为媒介，琼脂培养皿作为画布，不用离开微生物实验室就能画出杰作。
当然，艺术家并不是唯一的——科学家在设计结构、材料等方面也经常从自然中寻找灵感。最近，一种奇怪的小生物似乎成为了一些科学创新的灵感来源:螳螂虾。
虽然既不是螳螂也不是虾，但这些食肉海洋甲壳类动物有一些令人印象深刻的进化适应能力。首先,螳螂虾拥有自然界中最复杂的眼睛，配备了十多种不同的光感受器(我们人类只有三种)，不仅能够探测可见光和紫外光，还能探测偏振光。换句话说，螳螂虾看世界是彩色的。
除了它们令人难以置信的眼睛，螳螂虾或许更出名的是它们有力的拳头。螳螂虾也被称为“拇指分离器”，因打碎水族馆墙壁的玻璃而臭名昭著，它能以50英里每小时的爆炸速度推动它的附肢向前和远离它的身体，以如此强大的力量(超过1500牛)击打，螳螂虾可以粉碎螃蟹的外骨骼和软体动物的壳。
除了产生这种爆发力的惊人能力之外，螳螂虾的这种出拳能力也意味着它的拳头——被称为指掌——配备了一些非常坚硬的材料来承受这种力量。这使它们成为工程师们设计抗断裂材料的完美灵感。
用细菌建造Bouligand
像许多生物材料一样，螳螂虾的趾部从一种结构中获得力量，这种结构能有效地消耗能量，并抵抗断裂。以前的研究表明，这种强度来自不同结构适应的组合，包括一个消耗能量的纳米颗粒结构和一个人字模式在外层防止开裂。
在扬格托内，材料层以一种被称为布利根德形状的偏移螺旋状排列——扭曲得像一堆别致的鸡尾酒餐巾——这进一步有助于消耗能量并防止断裂。
虽然科学家们早就知道这种布利甘形状的强度，但它的复杂性使其难以合成，特别是在矿化材料。现在，南加州大学和加州大学欧文分校的一组研究人员设计了一种在实验室中制造这种结构的新策略，即利用自然本身来帮助形成这些复杂的图案。
“几个世纪以来，我们一直对天然材料的复杂微结构感到惊讶，尤其是在发明了显微镜来观察这些微小结构之后。”启明创投王他是南加州大学维特比工程学院的工程师和研究员，也是这项新工作的资深作者南加州大学的新闻稿．“现在我们向前迈出了重要的一步:我们利用活细菌作为工具，直接生长出我们自己无法制造的惊人结构。”
为了创造出螳螂虾式的结构，研究人员首先用3D打印了一个由多层开放聚合物晶格组成的框架结构。然后，他们在这些结构中植入活细菌，Sporosarcina巴氏分泌脲酶。
在钙离子和尿素存在的情况下，脲酶会催化矿物碳酸钙的形成，这种物质有助于骨骼、牙齿和贝壳的坚固。（还有一些砖头!因此，当研究人员将这些富含细菌的聚合物晶格浸入含有尿素和钙离子的溶液中时，细菌的脲酶催化框架内的碳酸钙矿化，创造出一个越来越坚固的结构。
通过将类似的框架层以偏移的螺旋模式堆叠，研究人员表明，他们可以催化矿化碳酸钙布利甘结构的产生——只要给细菌一个生长的地方和一些食物就可以了。
“我们研究的关键创新是，我们引导细菌生长碳酸钙矿物，以实现与天然矿化复合材料相似的有序微观结构，”王在新闻稿中说。
这些结构显示出了高强度、抗断裂和耗能的良好组合。测试表明，细菌建造的Bouligand结构通过帮助耗散能量和阻止结构内部的裂缝传播来提供强度。
王在一篇文章中解释道。《连线》杂志文章“这种微观结构确保了这种复合材料非常坚韧……当出现裂纹时，裂纹会以扭曲的方式传播，消耗材料内部的能量。”文章接着说:“事实上，这种材料比天然珍珠(珍珠母)吸收更多的能量，这使一些贝壳具有强度，也胜过现有的人造材料，王和他的同事说。”
作者在论文摘要中称其为“具有有序微观结构和特殊性能的3D结构混合合成生命材料”，除了提出概念验证之外，该团队还看到了多种潜在应用，包括轻型防弹衣或车辆装甲。“这种材料可以抵抗子弹的穿透，并通过释放能量来避免损伤，”博士后和合著者苏一品在新闻稿中说。
由于这种材料是在活细菌的帮助下生长的，研究人员也看到了自修复材料的潜在方向。“一个有趣的设想是，这些生物材料仍然具有自我生长的特性，”王在新闻稿中说。“当这些材料受到损伤时，我们可以引入细菌让这些材料生长回来。例如，如果我们在桥梁上使用它们，我们可以在需要时修复损坏。”
论文发表于先进材料,是“具有有序微结构和优异力学性能的生长活性复合材料”(DOI: 10.1002 / adma.202006946)。
看到光学优势
不仅仅是螳螂虾的长短节激发了创新，这种生物高度复杂的眼睛也帮助另一个研究团队看到了开发紧凑而复杂的光学传感器的新策略。
北卡罗来纳州立大学的科学家们开发了能够进行高级高光谱和偏振成像的小型光学传感器——以前只能在更大、更复杂的传感器上实现——这可以扩大智能手机等小型设备的使用，以便对科学成像进行更精确的分析。
“许多人工智能(AI)程序可以利用数据丰富的高光谱和极化图像，但捕捉这些图像所需的设备目前有些笨重，”描述这项工作的论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州大学电子与计算机工程副教授迈克尔·库德诺夫在一份报告中说大学新闻．“我们的工作让更小、更友好的设备成为可能。这将使我们能够更好地将这些人工智能能力应用于从天文学到生物医学等领域。”
这种有机电子传感器被研究人员命名为“SIMPOL”，意为“口足类激发多光谱和偏振敏感”，它模仿了螳螂虾的复杂眼睛，也被称为口足类动物。
就像螳螂虾的眼睛一样，这种传感器可以检测偏振光，也可以检测更窄的波段的可见光——10倍窄的波段(因此，hyper-spectral)，这使得探测更加精确。并对偏振光进行探测偏振成像可以提供一个物体表面几何的重要信息。
虽然这项技术不能帮助你用智能手机拍出更好的照片，但它可以为不同领域的科学成像开辟重要的可能性。
“我们的工作表明，创造能够同时捕捉高光谱和极化图像的小型高效传感器是可能的，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州机械和航空航天工程副教授布兰登·奥康纳(Brendan O’connor)说。“我认为这为一种新的有机电子传感技术打开了大门。”
这篇开放获取的论文发表在科学的进步,是“螳螂虾启发的同时高光谱和偏振成像有机光电探测器”(DOI: 10.1126 / sciadv.abe3196)。