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時，盟軍在追蹤德國納粹潛艇時，其水下偵聽設備經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，人們都無從得知這些噪聲的來源。這一神秘現象，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。原來，槍蝦在遇到天敵或獵物時，會閉合巨螯并發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。但隨著高速攝影技術的不斷成熟，科學家們發現，槍蝦噪聲并非源于快速閉合的巨螯碰撞。原來，槍蝦巨螯閉合時產生的高速氣流會引起空化氣穴，氣穴產生后破裂繼而會發出聲響。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現空化氣穴的原因。

據了解，槍蝦巨螯可動指上有一個“活塞”狀的突起結構，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生。不過，這一神奇“蝦光現象”的發光時間極短，很難被肉眼發現。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，最高可產生210分貝的音量，比子彈射擊時發出的槍聲（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

當槍蝦打出“響指”時，其研究領域涉及生物學、聲學、流體力學、工程熱力學等學科。若想人工“再現”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、螯槽和螯節組成，螯塞和螯錘是其中主要的活動部分。科學家們對槍蝦巨螯進行了CT掃描，并將掃描后的數據轉化為高精3D立體模型進行仿生設計，盡可能還原了槍蝦“響指”的“蝦光現象”。

核聚變反應就是質量較小的原子經聚變形成質量較大的原子，并產生大量能量

通過槍蝦“響指”靈感所實現的可控核聚變

核聚變反應是恒星得以發光發熱的能量來源

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展開全新的“空氣炮”研究，力圖進一步優化人造空化氣穴。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成。面對槍蝦精密復雜的巨螯結構，仿生技術應從何處下手呢？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”內雖沒有彈藥，但充滿著“彈藥”。原來，仿生“空氣炮”在應用時，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生高速脈沖射流并形成空化氣穴。

隨著能夠產生空化氣穴的仿生“空氣炮”技術的誕生，其在熱鉆探等工程領域的應用前景也蔚為可觀。傳統的機械鉆探工程，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”技術和PDC鉆頭技術“強強聯手”，便可在鉆井液環境下產生空化氣穴，進而引發巖石表面產生細微裂紋。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域，耗能嚴重。為了解決這一難題，有研究團隊力圖對設備進行簡化，從而消除造成效率損失的區域。這一設計靈感，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可控核聚變。研究人員發現，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噸的超高速氣動發射炮。當氣動發射裝置啟動后，彈丸會以7公里/秒的速度發射并撞向載有核聚變材料的靶子，瞬間即可產生超高的溫度和壓力。只要保有一定頻次以上的發射數量，氣動發射炮內就會出現大量的能量。核聚變反應過程中釋放出的這些熱能和中子，會由液態鋰金屬等物質所吸收，經由熱交換后傳遞給水，并形成水蒸氣以供渦輪機進行發電。

當然，通過槍蝦“響指”靈感所實現的可控核聚變，目前仍處于實驗研究階段。據悉，研究人員正在努力提升這一技術，預計2030年有望實現商業應用。

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。核聚變反應是恒星得以發光發熱的能量來源。從理論上來說，其是一種近乎完美的能源類型。簡言之，核聚變反應就是將質量較輕的原子，經聚變形成新的較重的原子，并產生大量能量的過程。核聚變反應與核裂變反應都屬于核反應，但兩者之間有著極大的差別。在同等質量條件下，核聚變反應所產生的能源，要遠遠超出核裂變。同時，核聚變也更為安全，整個反應過程并不會有任何放射性廢料產生。

化學元素中的氫，存在氕、氘、氚三種同位素。它們有著相同的質子數，區別則在于氕、氘、氚中的中子數。特殊的原子結構，使得氘、氚具備核聚變反應的能力。核聚變反應中，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堆的設計。以當前能夠產生核聚變的磁約束反應堆、慣性約束反應堆以及將兩種方法結合的磁化靶聚變反應堆等設計來說，都需要強大的激光或強大、精確的磁場來進行核聚變反應。這就使得反應堆在結構上