裂紋誘導的尖端應力

根據傳統的認知，裂紋被視為一種典型的缺陷，因為裂紋的存在會將構件體內分散的機械能以極高的效率聚集在裂紋尖端納米尺度應力場內，進而導致材料發生斷裂失效。

蝎子在億萬年的進化過程中，為了能夠在惡劣的自然環境下生存，已經進化出了兼顧感知結構（裂紋）安全性與感知功能靈敏性的機制，巧妙地利用了“危險”裂紋尖端應力場奇異的能量集中效應，在防止原有特定尺寸裂紋結構進一步擴展的前提下，實現了微弱振動信號的超敏感知。打破了人們對裂紋尖端能量集中效應有百害而無一利的認知。從能量轉化的角度，基于裂紋的超靈敏機械量感受器可以被視為一種高效的機電能量轉化微系統

a,b,c圖為其生物電神經突起在裂紋尖端的圖像

d,e圖為共聚焦激光掃描顯微鏡對該機械-生物電轉換系統的成像

f energy conversion mechanism 

上圖為基于該裂紋結構而組裝的機械應力傳感性能

上圖為該器件的組裝方法

由該預裂紋切口形成的近尖端應力場該研究發現了此裂紋起到了收集機械的積極作用能量而且在受力時沒有產生結構性的破裂，而這種結構在傳統的工程領域被認為是一種結構缺陷。在機械傳感過程中，分散的微小機械能在納米尺度上會聚在抗裂縫尖端處的近尖端應力場然后轉換通過機械感覺神經元進入電能。來自周圍環境的機械能和提高機械傳感器的靈敏度。

在這項工作中提出的理論表明，蝎子腿部的超敏感的機械感受器代表了一種全新的范式，最大化了機電能量轉換的效率因為機械傳感的物理本質是機械能的高效轉換，即包含在機械信號中的電能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201807693