槍蝦“響指”帶來的科技靈感

文·圖/沈臻懿

海洋中的神秘“響指”

廣袤無垠的大海中，總是隱藏著一些含有特殊技能的神秘生物。早在第二次世界大戰(zhàn)時，盟軍在追蹤德國納粹潛艇時，其水下偵聽設(shè)備經(jīng)常會受到一些類似于打鼓的噪聲干擾。在之后的一段時間內(nèi)，人們都無從得知這些噪聲的來源。這一神秘現(xiàn)象，直至科學家們研究分析了一種奇特的海洋生物——槍蝦，才得以破解。

槍蝦，學名為鼓蝦，廣泛分布于從太平洋到大西洋的熱帶海洋中。槍蝦體色較為鮮艷美麗，身長約5厘米，標志性特點就是那對極不對稱的螯足，其中一只巨螯可長達2.8厘米。類似打鼓的水下噪聲秘密就隱藏在了這只巨螯內(nèi)。原來，槍蝦在遇到天敵或獵物時，會閉合巨螯并發(fā)出打鼓或手槍般的聲響，故而得名。

起初，科學家們相信，水下噪聲系由槍蝦巨螯的猛烈閉合碰撞所引發(fā)。但隨著高速攝影技術(shù)的不斷成熟，科學家們發(fā)現(xiàn)，槍蝦噪聲并非源于快速閉合的巨螯碰撞。原來，槍蝦巨螯閉合時產(chǎn)生的高速氣流會引起空化氣穴，氣穴產(chǎn)生后破裂繼而會發(fā)出聲響。超高速攝影機下，槍蝦巨螯的閉合過程僅需0.65毫秒，這也揭示了為何此前科學家一直未能發(fā)現(xiàn)空化氣穴的原因。

據(jù)了解，槍蝦巨螯可動指上有一個“活塞”狀的突起結(jié)構(gòu)，剛好可以嵌入不可動指上的孔洞凹槽。巨螯快速閉合時向前射出的水流，時速可達100公里/小時。高速射流形成的低壓空化氣泡在壓力差的作用下迅速塌縮，進而導致氣泡內(nèi)的空氣和水蒸氣體積急劇壓縮。當氣泡塌縮為最小體積時，瞬間產(chǎn)生的超高壓力和溫度，能接近6000℃的太陽表面溫度，甚至還有沖擊波和大量光子產(chǎn)生。不過，這一神奇“蝦光現(xiàn)象”的發(fā)光時間極短，很難被肉眼發(fā)現(xiàn)。令人感到吃驚的是，槍蝦巨螯釋放出的高溫沖擊波，甚至能將厚實的魚缸壁震出裂縫。槍蝦“響指”打出的氣泡崩裂瞬間，最高可產(chǎn)生210分貝的音量，比子彈射擊時發(fā)出的槍聲（150分貝）還要高。以人類對于聲音的承受能力來說，當音量達到125分貝時，人們就可能感到頭疼；160分貝則是人類能夠安全承受聲音的極限；當音量超過這一數(shù)值時，人類的耳膜就可能被震破。

仿生槍蝦巨螯的“空氣炮”技術(shù)

當槍蝦打出“響指”時，其研究領(lǐng)域涉及生物學、聲學、流體力學、工程熱力學等學科。若想人工“再現(xiàn)”這一過程，亦離不開仿生學的介入和研究。槍蝦的巨螯主要由螯塞、螯錘、螯槽和螯節(jié)組成，螯塞和螯錘是其中主要的活動部分?？茖W家們對槍蝦巨螯進行了CT掃描，并將掃描后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高精3D立體模型進行仿生設(shè)計，盡可能還原了槍蝦“響指”的“蝦光現(xiàn)象”。

核聚變反應(yīng)就是質(zhì)量較小的原子經(jīng)聚變形成質(zhì)量較大的原子，并產(chǎn)生大量能量

通過槍蝦“響指”靈感所實現(xiàn)的可控核聚變

核聚變反應(yīng)是恒星得以發(fā)光發(fā)熱的能量來源

原來，槍蝦“沖擊波大炮”射流的噴出過程，近似于我們手持注滿液體的醫(yī)用針管在水下推壓形成的射流。有所不同的是，我們推注針管的速度遠遠不及槍蝦的“響指”速度。

破譯了槍蝦“沖擊波大炮”的秘密后，科學家們便開始借助仿生技術(shù)展開全新的“空氣炮”研究，力圖進一步優(yōu)化人造空化氣穴。仿生“空氣炮”裝置由離合器、軸承支架、滾珠軸承、螯錘、螯塞、螯槽和底座等部件所構(gòu)成。面對槍蝦精密復雜的巨螯結(jié)構(gòu)，仿生技術(shù)應(yīng)從何處下手呢？科學家們最終從捕鼠夾中找到了靈感，即：選用扭簧來提供動力。這一仿生“空氣炮”的“炮管”內(nèi)雖沒有彈藥，但充滿著“彈藥”。原來，仿生“空氣炮”在應(yīng)用時，需要將裝載了扭簧的螯錘以一定角度打開，并用充當“槍炮扳機”的離合器予以固定。待需要激發(fā)時，扣動離合器，螯錘上的螯塞就會在扭簧的作用下迅速閉合，通過擠壓螯槽中的水產(chǎn)生高速脈沖射流并形成空化氣穴。

隨著能夠產(chǎn)生空化氣穴的仿生“空氣炮”技術(shù)的誕生，其在熱鉆探等工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景也蔚為可觀。傳統(tǒng)的機械鉆探工程，需要使用聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭在鉆井液中進行鉆探。但若能使仿生“空氣炮”技術(shù)和PDC鉆頭技術(shù)“強強聯(lián)手”，便可在鉆井液環(huán)境下產(chǎn)生空化氣穴，進而引發(fā)巖石表面產(chǎn)生細微裂紋。如此一來，不但鉆探效率能夠進一步提升，還會很大程度地降低鉆探的成本。極為復雜，且存在較多的潛在效率損失區(qū)域，耗能嚴重。為了解決這一難題，有研究團隊力圖對設(shè)備進行簡化，從而消除造成效率損失的區(qū)域。這一設(shè)計靈感，同樣來自槍蝦巨螯打出的“響指”！

既然槍蝦那只僅僅只有2.8厘米長的巨螯就能打出數(shù)千攝氏度的高溫和超強的沖擊波，那如果能夠仿造出一個更大更強的裝置，或許亦可借助其成功實現(xiàn)可控核聚變。研究人員發(fā)現(xiàn)，可以利用加速器對燃料芯塊進行壓縮，就如同槍蝦巨螯壓縮海水產(chǎn)生的氣泡。在對燃料進行壓縮的過程中，會形成類似于氣泡般的塌縮沖擊波。這種沖擊波與槍蝦巨螯的氣泡一樣，會迅速爆炸。在這一過程中，核聚變反應(yīng)中的排斥作用能得以克制。

為此，研究人員造出了一門20余米長、重達2.5噸的超高速氣動發(fā)射炮。當氣動發(fā)射裝置啟動后，彈丸會以7公里/秒的速度發(fā)射并撞向載有核聚變材料的靶子，瞬間即可產(chǎn)生超高的溫度和壓力。只要保有一定頻次以上的發(fā)射數(shù)量，氣動發(fā)射炮內(nèi)就會出現(xiàn)大量的能量。核聚變反應(yīng)過程中釋放出的這些熱能和中子，會由液態(tài)鋰金屬等物質(zhì)所吸收，經(jīng)由熱交換后傳遞給水，并形成水蒸氣以供渦輪機進行發(fā)電。

當然，通過槍蝦“響指”靈感所實現(xiàn)的可控核聚變，目前仍處于實驗研究階段。據(jù)悉，研究人員正在努力提升這一技術(shù)，預(yù)計2030年有望實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

可控核聚變中的“響指”靈感

可控核聚變是人類未來能源的希望之星。核聚變反應(yīng)是恒星得以發(fā)光發(fā)熱的能量來源。從理論上來說，其是一種近乎完美的能源類型。簡言之，核聚變反應(yīng)就是將質(zhì)量較輕的原子，經(jīng)聚變形成新的較重的原子，并產(chǎn)生大量能量的過程。核聚變反應(yīng)與核裂變反應(yīng)都屬于核反應(yīng)，但兩者之間有著極大的差別。在同等質(zhì)量條件下，核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能源，要遠遠超出核裂變。同時，核聚變也更為安全，整個反應(yīng)過程并不會有任何放射性廢料產(chǎn)生。

化學元素中的氫，存在氕、氘、氚三種同位素。它們有著相同的質(zhì)子數(shù)，區(qū)別則在于氕、氘、氚中的中子數(shù)。特殊的原子結(jié)構(gòu)，使得氘、氚具備核聚變反應(yīng)的能力。核聚變反應(yīng)中，首先需要考慮的是如何將氫融合成為氦并釋放出能量。這一過程需要有上千萬攝氏度以上的高溫以及堪比太陽內(nèi)部的高壓，以確保氫原子有充足的動能來克制排斥的原子力。不過，比之更難的則是核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計。以當前能夠產(chǎn)生核聚變的磁約束反應(yīng)堆、慣性約束反應(yīng)堆以及將兩種方法結(jié)合的磁化靶聚變反應(yīng)堆等設(shè)計來說，都需要強大的激光或強大、精確的磁場來進行核聚變反應(yīng)。這就使得反應(yīng)堆在結(jié)構(gòu)上