枪虾是什么动物？为何中美均对其仿生研究？

在大海中，有这样一种虾，天生拥有一大一小不成比例的两个螯。虽然体长不到5厘米，但却是天生的海洋枪手。枪虾的螯能以108km/h的速度快速闭合，并喷射出一道32m/s的高速水流，用以击毙猎物。而其“开枪”的声音可以达到210分贝，比真正的枪声（约150分贝）还高，“枪虾”也因此得名。

二战期间，盟军在追踪德国潜艇的过程中，水下侦听设备总会听到一些奇怪的噪声，噼里啪啦就像烧柴一样，这给侦听工作带来了很大的干扰。但透过潜望镜却始终无法发现声音来源，以至于军中流传海妖的传说。后来海洋生物学家发现，这其实是枪虾发出的声音。而一群枪虾巨螯所发出的声音，足以让潜艇躲过声纳的追踪。

枪虾在用巨螯攻击时，会发出超越枪声的巨响，但并不是靠着撞击。而是其进化出一套独特的生物机制。枪虾喷射出的高速水流会发送气穴现象，形成极小的低压气泡，这些气泡从发出到破裂只有十亿分之一秒的时间，而且爆破的时候温度会达到4700度，并伴随“啪嗒”的巨响。所以枪虾的捕猎效率极高，普通的小鱼、小虾、小螃蟹非死即晕，很难逃脱。

枪虾的这种独特生物机制，引起了世界各国的兴趣。有关枪虾螯部快速闭合运动机制，成为近二十年来的热门仿生研究。仿生枪虾可研发爆轰驱动技术、液压驱动技术、弹性储能技术。1999年，美国伊利诺伊大学破译了枪虾喷射的空化气泡高温的变化。2016年，山东大学用能量守恒理论解释了气泡膨胀功和热能。2018年吉林大学发明了一种仿生枪虾式攻击型武器，其机构包括了仿生虾螯、仿生虾臂、仿生虾体。

枪虾

（1）虾光现象

枪虾是海底最常见的生物之一，靠着一双不成比例的螯进行猎食。枪虾用螯射击时，不仅可以射出32m/s的水流，有着独特的射击能力，甚至产生近太阳表面的温度（约4800℃），伴随着激波和大量的光子，枪虾冲击波可以震碎玻璃和击毙小鱼。而这种因枪虾产生气泡在水中发生内向爆炸，产生光及高温的现象，被称为“虾光现象”。但虾光十分微弱，肉眼根本无法观察，只有通过光检测器才能观测到。

（2）再生的大鳌

枪虾外部形态主要包括三部分：体干、附肢和鳃，其中一对完全不对称的螯是其最明显的生物特征。大螯长度约虾体全长的一半，并且大螯和小螯的位置也会相互变化。当受到不可抵御的攻击后，枪虾会拖鳌求生，安全后重新长出。有趣的是，重新长出来的并不是大螯，而是一只小螯。原来的小螯则慢慢长大，实现互换。

枪虾如果失去小螯，偶尔也会错误地长出大螯，从而拥有“双枪”。枪虾的大鳌还是其解决争端的有力武器，不仅可以用来搏斗，产生的噪声还是最好的武力炫耀。其实，群居的枪虾内部很少会发生实质性的斗争，争端是通过摆姿态和鸣枪警告来解决的。

（3）共生生活

几乎所有的枪虾都生活在海底，或自由生活，或与其它动物共生生活。

在海底世界，枪虾是地球上力量最足、最为吵闹的生物之一，但喧闹的外表下，枪虾却是一种极易相处的生物。只要能给枪虾提供一定帮助，它都会愉快的与邻居们结成紧密的联盟。例如，珊瑚为枪虾提供了庇护所。反过来，枪虾会用气泡“子弹”攻击海星，保护珊瑚不被海星吃掉。有些枪虾会在沙地上挖洞，邀请虾虎鱼前来居住，因为虾虎鱼可以为枪虾预警。而在日常生活中，枪虾会将其触须放在虾虎鱼的身体上，如果虾虎鱼逃进洞穴中，枪虾也会紧随其后逃逸。

（4）社会化组织

有一些种类的枪虾甚至形成了社会化组织。科学家曾多次发现，数百只枪虾居住海绵内部，由体型较大的“虾王”和“虾后”统治。“虾王”和“虾后”是唯一一对能进行繁殖的枪虾。当遇到外敌入侵时，体型较大的个体会进行防御，而体型较小的个体会围绕在“虾后”周围。并发出“咔哒—咔哒—咔哒”的声音，召集同伴回防，用群体的力量对付入侵的个体。

空化作用

空化作用是船只螺旋桨最大的工程难题，它们旋转速度极快，这会创造出数以百万个气泡，气泡会破裂，发生爆炸。并在液体中会产生高达数千大气压的巨大压强，产生大量的热能，形成局部的极强压力和超高温度，就连最坚硬的螺旋桨都会被这种爆炸慢慢破坏，从而影响它们的使用寿命。

空化作用是非常复杂的理化作用，其产生的高温高压可用于清洗、切割、破碎物件，改善材料表面性能、过程强化等众多方面，使用前景非常广泛。枪虾发明了一种生物方法来创造这些空化爆炸，将它们的冲击波变成武器，也因此而得名“枪虾”。

枪虾大螯就像整套机械结构，一边带着一大块插口，另一边是带铰链的突起。这个插口就像砧板，而突起则像大锤。大螯关节强大的肌肉，当其闭合时触发关节开关，锤子就精准地砸到砧板的插口中，将其中所有的水排出，而这股喷射出的极高速水流，立即引发了空化作用并产生了大量气泡。在水的阻力下速度骤减，气泡压强极不稳定。几乎是在诞生的瞬间，就噗地消失了。爆裂时释放出的光和热可达4700℃，这足以将金属钨都融化，已经达到太阳表面的温度。

为了实现这些，枪虾进化出了极强的物理防御力，可以抵御喷射带来的冲击力。在它们的头部有一个头盔状罩子，是极特殊的生物材料，能把眼睛和大脑完全覆盖起来抵御强大的冲击波。而枪虾螯部具有特殊结构与材料构成，有着优异的力学表现。枪虾的大鳌也是科学家最佳的仿生对象。

那么，枪虾又是如何产生空化作用的呢？

枪虾的鳌部肌肉主要分成三部分：张拉肌、闭合肌、三角肌。三者的互相配合实现鳌快速闭合。在张开过程时，张拉肌迫使动螯相对于定螯张开，此时闭合肌受到张拉肌的牵拉产生了变形，体积较大的闭合肌就会储存大量势能。随着三角肌的作用，触发闭合肌能量的瞬间释放，高效的完成了整个快速闭合运动过程。

（1）张拉肌

张拉肌主要在枪虾螯部上侧，控制动螯的张开，完成攻击前的准备工作。在这个过程中，并不需要速度和爆发力，所以张拉肌的肌肉体积并不大，只占了五分之一左右。

（2）闭合肌

闭合肌主要在枪虾螯部的中间位置，控制枪虾动螯的闭合，并发出攻击的动作。这是枪虾高速和高爆发核心肌肉，体积占比最大，大约占了五分之三左右。

（3）三角肌

三角肌主要枪虾螯部下侧，用于辅助闭合肌完成枪虾动螯的闭合动作，主要起协助作用，肌肉体积也不大，甚至都不到五分之一。

（4）动螯的张开、闭合

整个枪虾螯部的运动包括了动螯张开、闭合两个状态。在由闭合到张开的过程中，张拉肌所产生的作用力逐渐减小，闭合肌产生的作用力逐渐增强，三角肌的作用力也会逐渐增强。张拉肌的在张开过程中起主要作用，使得动螯逐渐张开，同时闭合肌和三角肌也逐渐开始产生变化，为 进行闭合过程做准备。而张开到闭合过程则恰恰相反。

“开火”的声音从哪来？

从虾螯的运动特点和生理结构不难看出，螯部的快速闭合运动机制是使枪虾螯部产生空化气泡及高分贝发声的必要条件，螯部的快速闭合运动会引起周围水流的压力场急速变化，压力场变化形成空化气泡并造成高分贝发声。

这种“开枪”的声音可以达到190-210分贝，比真正的枪声约150分贝还高。即便是隔着潜水艇，也能清晰的听到“噼啪噼啪”的巨大声响。多只枪虾同时闭合大螯发出的声响，会形成相当强的噪音，严重干扰水下通讯、声制导武器、潜艇的侦查等活动。是海底潜艇的声纳系统所受到的最主要的干扰源。

仿生枪虾研究

二战以来，枪虾的发声习性以及其发声的性质，得到了海洋生物学和水生学工作者的重视。通过仿生虾枪，设计出基于枪虾螯部高分贝发声结构，不仅可以可以产生和枪虾类似的干扰噪声，还能实现潜艇的水下高度隐蔽。

2018年，加拿大大阿尔伯塔大学重建了枪虾螯部的运动机构，利用3D打印技术、断层扫描技术、激光共焦技术等，分析了枪虾螯部在进化过程中不同关节的闭合速度。2022年，英国科学家提出设想，计划仿生巨螯造一把更大更强的“枪”，依靠这种方式实现核聚变。

2019年，美国德州大学机械系制作了高仿三维模型，完成了仿生激波等离子枪装置的设计，并在很大程度上还原了“虾光现象”，产生了与虾枪空化数相匹配的高速水射流，实现了枪虾的等离子体。

近二十年来，中国加速了对虾枪的仿生研究。2018年，吉林大学发明了一种仿生枪虾式攻击型武器，包含全套的仿生虾螯、仿生虾臂、仿生虾体。仿生武器体积微小，运动灵活，既隐蔽又具有一定攻击性，可以很好的分担“蛙人”的作战压力。

纵观几十年的仿生枪虾，其主要集中在几个方面：

利用相关实验验证枪虾螯部的材料特性；利用流固耦合分析枪虾快速闭合机制产生的空化现象；利用3D打印技术和高速摄像技术建立仿生螯部装置分析仿螯外形产生的空化效率以及“虾光”现象等；利用枪虾螯部快速闭合运动产生的高分贝声响对抗干扰和深海探测。结语

枪虾的肉可鲜食或干制虾米，中国海区的枪虾是沿海渔业的捕捞对象，有着自己的经济价值。虽然它只是海底最常见的一种生物，但却蕴含极大的自然智慧，仿生枪虾可以解决众多工业问题，值得人类好好学习！