Uma descoberta incrível sobre como não se magoam ao dar o “soco” pode ajudar a desenvolver coletes à prova de bala, implantes cirúrgicos com capacidade de absorver impactos a nível interno, por exemplo
Imagine um animal com um soco tão poderoso que consegue esmagar conchas de moluscos e até vidro de aquários com um único golpe. A sua força é equivalente à de uma bala de calibre 22. Se pensa que esta é a descrição de um predador gigante dos oceanos, desengane-se, estamos a falar do pequeno e colorido camarão-louva-deus-palhaço, Odontodactylus scyllarus. No entanto, surpreendentemente, estas criaturas resistentes permanecem intactas apesar das intensas ondas de choque criadas pelos seus próprios golpes, capazes de atingir velocidades de até 80 Km/h em menos de três milésimos de segundos.
Agora, os cientistas da Universidade de Northwestern descobriram como este crustáceo consegue dar golpes tipo “kung fu”, sem se ferir. Os seus punhos, ou garras em forma de “punho fechado”, conhecidas como dactyl, estão cobertas de padrões em camadas, que filtram seletivamente o som. Ao bloquear vibrações específicas, os padrões actuam como um escudo contra as ondas de choque auto-geradas. No entanto, para executar repetidamente esses golpes de alto impacto, o clube dactyl deste camarão deve ter um mecanismo de proteção robusto para evitar danos próprios. A maioria dos trabalhos anteriores centrou-se na dureza e na resistência das fissuras da clava, tratando a estrutura como um escudo de impacto reforçado. “Descobrimos que utiliza mecanismos fonónicos – estruturas que filtram seletivamente as ondas de tensão. Isto permite que o camarão preserve a sua capacidade de golpear durante vários impactos e evite danos nos tecidos moles”, explica Horacio D. Espinosa, da Northwestern.
Este segredo desvendado pode ser muito importante e servir de inspiração para a criação de novos materiais sintéticos que filtram o som para equipamento de proteção, bem como inspirar novas abordagens para reduzir as lesões provocadas por explosões nas forças armadas e no desporto, bem como para a criação de coletes à prova de bala até para desenvolver implantes cirúrgicos com capacidade de absorver choques dentro do corpo humano, segundo um estudo publicado este mês na revista Science.
Um golpe devastador
Vivendo em águas tropicais pouco profundas, os camarões mantis estão armados com uma clava datilar em forma de martelo em cada lado do corpo. Estes tacos armazenam energia em estruturas elásticas, semelhantes a molas, que são mantidas no lugar por tendões semelhantes a fechos. Quando o fecho é libertado, a energia armazenada também o é — impulsionando o taco para a frente com uma força explosiva.
Com um único golpe, os camarões louva-a-deus podem abater presas ou defender o seu território de concorrentes. Quando o soco rasga a água circundante, cria uma zona de baixa pressão atrás de si, provocando a formação de uma bolha.
“Quando o camarão mantis ataca, o impacto gera ondas de pressão no seu alvo”, explica Espinosa. “Também cria bolhas, que colapsam rapidamente para produzir ondas de choque na gama dos megahertz. O colapso destas bolhas liberta intensas explosões de energia, que viajam através do punho do camarão. Este efeito secundário de onda de choque, juntamente com a força do impacto inicial, torna o golpe do camarão mantis ainda mais devastador”. Ou seja, a vítima é atingida duas vezes pelo mesmo golpe. Poderoso!
Padrões de proteção
Surpreendentemente, esta força não danifica os delicados nervos e tecidos do camarão, que se encontram envoltos na sua armadura. E este facto é o que realmente intriga os cientistas. Não é apenas a força do soco, mas sim a resistência da estrutura do “camarão pugilista”. Se um material comum fosse submetido a este nível de impacto rapidamente se partiria.
Para investigar este fenómeno, Espinosa e os seus colegas utilizaram duas técnicas avançadas para examinar a armadura do camarão mantis em pormenor. Primeiro, aplicaram a espetroscopia de grelha transiente, um método baseado em laser que analisa a forma como as ondas de tensão se propagam através dos materiais. Em segundo lugar, utilizaram ultra-sons a laser de picossegundos, que fornecem mais informações sobre a microestrutura da armadura.
Descobriram que o exoesqueleto deste crustáceo é composto por três camadas. A região de impacto, responsável por desferir golpes esmagadores, é constituída por fibras mineralizadas dispostas num padrão de espinha de peixe, o que lhe confere resistência à falha. Por baixo desta camada, a região periódica apresenta feixes de fibras torcidas, tipo saca-rolhas. Estes formam uma estrutura de Bouligand, na qual as fibras de quitina, um polímero natural, se organizam de forma altamente estratégica. Estas entrelaçam-se em diferentes direções, criando um padrão que se repete periodicamente a cada 500 micrómetros.
Enquanto o padrão em espinha reforça o taco contra fraturas, a disposição em saca-rolhas regula a forma como as ondas de tensão viajam através da estrutura. Este desenho intrincado funciona como um escudo fonónico, filtrando seletivamente as ondas de tensão de alta frequência para evitar que as vibrações prejudiciais se propaguem para o braço e o corpo do camarão.
Além disso, o exoesqueleto contém um mineral à base de cálcio, semelhante ao encontrado nos ossos e dentes humanos. Este design funciona como um verdadeiro escudo protetor de absorção do impacto. Quando o camarão realiza um golpe, as ondas de choque de alta frequência, as mais destrutivas, são filtradas por essa estrutura, sendo dissipadas antes que possam causar danos ao próprio animal.
Nota
Neste estudo, os investigadores analisaram simulações 2D do comportamento das ondas. Espinosa disse que as simulações em 3D são necessárias para entender completamente a estrutura complexa do clube. “A investigação futura deve centrar-se em simulações 3D mais complexas para captar totalmente a forma como a estrutura do clube interage com as ondas de choque”, afirmou Espinosa.
