德克萨斯A&M大学的研究人员正在寻求大自然的灵感来开发一种使用虾作为模型的水下等离子体生成方法 - 这一发现可以为水消毒和钻井等行动提供重大改进。
David Staack博士，J。Mike Walker '66机械工程系副教授，新唐博士，博士。该部门的候选人和研究生研究助理，使用3D打印技术不仅复制捕捉虾爪的物理形状，而且还复制产生血浆的复杂机制。该团队的研究成果发表在3月15日的在线杂志“科学进展”上。
“一般来说，当你仰望大自然时，进化的压力使得大自然在做事方面非常有效率，”Staack说。“我觉得有趣的是，数千年来虾一直在进行强烈的冲击波，等离子体化学和纳米颗粒合成。”当捕捉虾 - 也称为手枪虾 - 捕捉它的爪子时，它会快速射出一股水流以产生气泡，当它崩溃时会产生巨大的噪音并发出光线。在该过程中产生的高压和高温导致等离子体形成。
该项目由Staack领导，四年多前开始作为美国国家科学基金会(NSF)资助的液体放电等离子体项目的分支。在将鳄鱼的等离子体生成过程与电等离子体过程进行比较时，研究人员开始怀疑是否能找到一种方法来测量和复制其性质。研究人员开始在NSF的初步支持下模仿捕捉虾爪的机制，仔细研究海洋生物是如何产生气泡，产生高达3000华氏度的等离子体。
“在我们的论文中，我们报告了由虾使用的相同方法引起的光发射的第一次直接成像：机械产生的能量集中在坍塌的空穴和随后的冲击波传播，”Staack说。“生物启发的机械设计使我们能够对等离子体产生进行重复和一致的实验，并表明与声波，激光和电致空化相比，转换效率显着提高。”Staack表示，使用3D打印有助于该项目的进展，使研究人员能够以几年前不可能的方式创建一个准确的，按比例放大的捕虾爪模型。
以前尝试复制虾的行为主要集中在虾的二维几何上，最终错过了一些复杂的3D过程，新技术允许研究人员成功地重建这种机制。Staack和Tang创造了一个三维模型，捕捉虾的蜕皮爪壳比自然界中出现的大五倍。为了在不借助虾的肌肉的情况下为机制提供动力，研究人员实施了类似捕鼠器的弹簧系统。
在自然界中，虾使用空化泡沫作为武器来产生震动并击晕它们的猎物。虾的机制的放大版本可用于广泛的学科，包括分析化学，物理和材料加工。
“虾使用这些系统作为武器，这肯定是一种应用，”Staack说。“压力和冲击可以使小鱼昏迷或破碎肾结石。空化和动力学可用于改变边界层流动并减少船的阻力。其他应用利用等离子体状态的化学成分。纳米颗粒可以由于合成过程中的极端条件，可以合成异国相。水可以消毒。油可以升级。“
从捕捉虾的等离子体和冲击波能力中汲取灵感，Staack正在与一个来自机械工程部门的同事合作进行分拆项目，以推进用于创造地热井的钻井技术，以利用地球的自然热量。通过使钻头尖端上的电极发射微观等离子体放电，该技术将有助于突破坚硬的岩石并简化钻井过程。
展望未来，Staack表示，未来研究的一些目标包括确定所产生的等离子体的温度，找出它们可以扩大机构的大小并测试一些潜在的应用。
他们还在努力改进机械的最有效版本，从爪模型中移除不能用于创建等离子体的部件。
“我们从中学到的是，我们并不需要所有虾类生物学，”Staack说。“我们需要小背柱塞，我们需要通道，但我们不需要虾用来击打它的部分。有些东西是由于不同的原因而演变的。我们现在正在做的一些事情是计算这个机制的蒸馏版本是什么。“
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