枪虾“响指”带来的科技灵感

文·图/沈臻懿

海洋中的神秘“响指”

广袤无垠的大海中，总是隐藏着一些含有特殊技能的神秘生物。早在第二次世界大战时，盟军在追踪德国纳粹潜艇时，其水下侦听设备经常会受到一些类似于打鼓的噪声干扰。在之后的一段时间内，人们都无从得知这些噪声的来源。这一神秘现象，直至科学家们研究分析了一种奇特的海洋生物——枪虾，才得以破解。

枪虾，学名为鼓虾，广泛分布于从太平洋到大西洋的热带海洋中。枪虾体色较为鲜艳美丽，身长约5厘米，标志性特点就是那对极不对称的螯足，其中一只巨螯可长达2.8厘米。类似打鼓的水下噪声秘密就隐藏在了这只巨螯内。原来，枪虾在遇到天敌或猎物时，会闭合巨螯并发出打鼓或手枪般的声响，故而得名。

起初，科学家们相信，水下噪声系由枪虾巨螯的猛烈闭合碰撞所引发。但随着高速摄影技术的不断成熟，科学家们发现，枪虾噪声并非源于快速闭合的巨螯碰撞。原来，枪虾巨螯闭合时产生的高速气流会引起空化气穴，气穴产生后破裂继而会发出声响。超高速摄影机下，枪虾巨螯的闭合过程仅需0.65毫秒，这也揭示了为何此前科学家一直未能发现空化气穴的原因。

据了解，枪虾巨螯可动指上有一个“活塞”状的突起结构，刚好可以嵌入不可动指上的孔洞凹槽。巨螯快速闭合时向前射出的水流，时速可达100公里/小时。高速射流形成的低压空化气泡在压力差的作用下迅速塌缩，进而导致气泡内的空气和水蒸气体积急剧压缩。当气泡塌缩为最小体积时，瞬间产生的超高压力和温度，能接近6000℃的太阳表面温度，甚至还有冲击波和大量光子产生。不过，这一神奇“虾光现象”的发光时间极短，很难被肉眼发现。令人感到吃惊的是，枪虾巨螯释放出的高温冲击波，甚至能将厚实的鱼缸壁震出裂缝。枪虾“响指”打出的气泡崩裂瞬间，最高可产生210分贝的音量，比子弹射击时发出的枪声（150分贝）还要高。以人类对于声音的承受能力来说，当音量达到125分贝时，人们就可能感到头疼；160分贝则是人类能够安全承受声音的极限；当音量超过这一数值时，人类的耳膜就可能被震破。

仿生枪虾巨螯的“空气炮”技术

当枪虾打出“响指”时，其研究领域涉及生物学、声学、流体力学、工程热力学等学科。若想人工“再现”这一过程，亦离不开仿生学的介入和研究。枪虾的巨螯主要由螯塞、螯锤、螯槽和螯节组成，螯塞和螯锤是其中主要的活动部分。科学家们对枪虾巨螯进行了CT扫描，并将扫描后的数据转化为高精3D立体模型进行仿生设计，尽可能还原了枪虾“响指”的“虾光现象”。

核聚变反应就是质量较小的原子经聚变形成质量较大的原子，并产生大量能量

通过枪虾“响指”灵感所实现的可控核聚变

核聚变反应是恒星得以发光发热的能量来源

原来，枪虾“冲击波大炮”射流的喷出过程，近似于我们手持注满液体的医用针管在水下推压形成的射流。有所不同的是，我们推注针管的速度远远不及枪虾的“响指”速度。

破译了枪虾“冲击波大炮”的秘密后，科学家们便开始借助仿生技术展开全新的“空气炮”研究，力图进一步优化人造空化气穴。仿生“空气炮”装置由离合器、轴承支架、滚珠轴承、螯锤、螯塞、螯槽和底座等部件所构成。面对枪虾精密复杂的巨螯结构，仿生技术应从何处下手呢？科学家们最终从捕鼠夹中找到了灵感，即：选用扭簧来提供动力。这一仿生“空气炮”的“炮管”内虽没有弹药，但充满着“弹药”。原来，仿生“空气炮”在应用时，需要将装载了扭簧的螯锤以一定角度打开，并用充当“枪炮扳机”的离合器予以固定。待需要激发时，扣动离合器，螯锤上的螯塞就会在扭簧的作用下迅速闭合，通过挤压螯槽中的水产生高速脉冲射流并形成空化气穴。

随着能够产生空化气穴的仿生“空气炮”技术的诞生，其在热钻探等工程领域的应用前景也蔚为可观。传统的机械钻探工程，需要使用聚晶金刚石复合片（PDC）钻头在钻井液中进行钻探。但若能使仿生“空气炮”技术和PDC钻头技术“强强联手”，便可在钻井液环境下产生空化气穴，进而引发岩石表面产生细微裂纹。如此一来，不但钻探效率能够进一步提升，还会很大程度地降低钻探的成本。极为复杂，且存在较多的潜在效率损失区域，耗能严重。为了解决这一难题，有研究团队力图对设备进行简化，从而消除造成效率损失的区域。这一设计灵感，同样来自枪虾巨螯打出的“响指”！

既然枪虾那只仅仅只有2.8厘米长的巨螯就能打出数千摄氏度的高温和超强的冲击波，那如果能够仿造出一个更大更强的装置，或许亦可借助其成功实现可控核聚变。研究人员发现，可以利用加速器对燃料芯块进行压缩，就如同枪虾巨螯压缩海水产生的气泡。在对燃料进行压缩的过程中，会形成类似于气泡般的塌缩冲击波。这种冲击波与枪虾巨螯的气泡一样，会迅速爆炸。在这一过程中，核聚变反应中的排斥作用能得以克制。

为此，研究人员造出了一门20余米长、重达2.5吨的超高速气动发射炮。当气动发射装置启动后，弹丸会以7公里/秒的速度发射并撞向载有核聚变材料的靶子，瞬间即可产生超高的温度和压力。只要保有一定频次以上的发射数量，气动发射炮内就会出现大量的能量。核聚变反应过程中释放出的这些热能和中子，会由液态锂金属等物质所吸收，经由热交换后传递给水，并形成水蒸气以供涡轮机进行发电。

当然，通过枪虾“响指”灵感所实现的可控核聚变，目前仍处于实验研究阶段。据悉，研究人员正在努力提升这一技术，预计2030年有望实现商业应用。

可控核聚变中的“响指”灵感

可控核聚变是人类未来能源的希望之星。核聚变反应是恒星得以发光发热的能量来源。从理论上来说，其是一种近乎完美的能源类型。简言之，核聚变反应就是将质量较轻的原子，经聚变形成新的较重的原子，并产生大量能量的过程。核聚变反应与核裂变反应都属于核反应，但两者之间有着极大的差别。在同等质量条件下，核聚变反应所产生的能源，要远远超出核裂变。同时，核聚变也更为安全，整个反应过程并不会有任何放射性废料产生。

化学元素中的氢，存在氕、氘、氚三种同位素。它们有着相同的质子数，区别则在于氕、氘、氚中的中子数。特殊的原子结构，使得氘、氚具备核聚变反应的能力。核聚变反应中，首先需要考虑的是如何将氢融合成为氦并释放出能量。这一过程需要有上千万摄氏度以上的高温以及堪比太阳内部的高压，以确保氢原子有充足的动能来克制排斥的原子力。不过，比之更难的则是核聚变反应堆的设计。以当前能够产生核聚变的磁约束反应堆、惯性约束反应堆以及将两种方法结合的磁化靶聚变反应堆等设计来说，都需要强大的激光或强大、精确的磁场来进行核聚变反应。这就使得反应堆在结构上