หมัดทรงพลังของกั้งตั๊กแตน 7 สี: ต้นแบบวัสดุที่รอคอย

เรื่องโดย
อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สวทช.

ความฝันของมนุษย์ที่จะมียานพาหนะประหยัดพลังงาน เสื้อเกราะทรงประสิทธิภาพ หรืออุปกรณ์ป้องกันการบาดเจ็บของนักกีฬาที่ได้ผลชะงัดคงไม่ไกลเกินเอื้อมอีกแล้ว เมื่อทีมวิจัยนำโดย เดวิด ไคเซลัส (David Kisailus) วิศวกรเคมี แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ ร่วมกับมหาวิทยาลัยเซาเทิร์น แคลิฟอร์เนีย และมหาวิทยาลัยเพอร์ดู สามารถพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ที่มีน้ำหนักเบา แต่มีความแข็งแรงสูงได้ สำเร็จโดยการเลียนแบบธรรมชาติ

กั้งตั๊กแตน 7 สี

เมื่อเอ่ยถึง “peacock mantis shrimp” หลายคนคงสงสัยว่า มันคือสัตว์ชนิดไหนกันแน่ระหว่างนกยูง ตั๊กแตน หรือ กุ้ง ? แท้จริงแล้ว peacock mantis shrimp มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า Odontodactylus scyllarus (O. scyllarus) เป็นสัตว์ขาปล้องจำพวกกั้งจัดอยู่ในไฟลัมอาร์โทรโพดา (Arthropoda) ชั้นครัสตาเซีย (Crustacea) และอันดับสโตมาโตโพดา (Stomatopoda) สารานุกรมเสรีวิกิพีเดียเรียกชื่อกั้งชนิดนี้เป็นภาษาไทยว่า “กั้งตั๊กแตน 7 สี”

กั้งตั๊กแตน 7 สี มักอาศัยในรูรูปตัวยูที่มันสร้างขึ้นตามแนวปะการังในทะเลเขตร้อน กั้งชนิดนี้มีลำตัวยาวประมาณ 4-6 นิ้ว มีสีสันสดใส และมีระบบการมองเห็นที่ยอดเยี่ยม น่าสนใจว่านักสะสมสัตว์น้ำบางคนเห็นว่ากั้งชนิดนี้เป็นสัตว์สวยงาม แต่บางคนก็มองว่ามันเป็นนักล่าที่น่าสะพรึงกลัวอย่างยิ่ง!

ทั้งนี้เพราะกั้งตั๊กแตน 7 สีมีนิสัยก้าวร้าว ในขณะล่าเหยื่อมันจะใช้รยางค์ที่มีลักษณะเหมือนกำปั้นชกไปที่เปลือกแข็งของเหยื่อจนกว่าจะแตก จากนั้นจึงกินเนื้อนิ่มๆ ภายใน ว่ากันว่าหอยที่มีเปลือกเป็นเกราะป้องกันที่แข็งแรงหรือแม้กระทั่งกระจกที่ใช้ทำตู้เลี้ยงปลาก็ยังไม่อาจต้านทานหมัดอันทรงพลังของมันได้ เมื่อรู้เช่นนี้แล้ว มือใหม่ที่คิดจะเลี้ยงกั้งตั๊กแตน 7 สีไว้ดูเล่น เริ่มเปลี่ยนใจหรือยัง?

นักวิทยาศาสตร์พบว่า กั้งตั๊กแตน 7 สีมีหมัดที่หนักกว่าน้ำหนักของตัวเองมากกว่า 1,000 เท่า มีความเร็วหมัดราว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (ซึ่งเร็วกว่ากระสุนขนาด .22 เสียอีก) และที่สำคัญสามารถชกเหยื่อได้มากถึง 50,000 ครั้งโดยที่กำปั้นของมันไม่ได้รับความเสียหายใดๆ อีกด้วย นอกจากนี้ การชกเป็นชุดอย่างรวดเร็วจะทำให้น้ำในบริเวณรอบๆ หมัดร้อนเหมือนน้ำต้ม เกิดฟองอากาศจำนวนมากไประเบิดบนตัวเหยื่อ เหยื่อจึงเหมือนโดนชกซ้ำอีกรอบ นี่เป็นความน่าทึ่งของธรรมชาติที่ชวนให้ค้นหาคำตอบเบื้องหลัง อย่างยิ่ง

ด้วยเหตุนี้เองที่ทำให้ทีมวิจัยของไคเซลัสสนใจ และพยายามไขความลับที่ซุกซ่อนอยู่ในกำปั้นของกั้งตั๊กแตน 7 สี พวกเขาผ่ากำปั้นของมันเพื่อศึกษาโครงสร้างภายใน และพบว่ามีลักษณะเป็นชั้นๆ ที่ซับซ้อน บริเวณที่รับแรงกระแทกโดยตรงประกอบด้วยไฮดรอกซีอะปาไทต์แบบผลึกที่พบมากในกระดูกและฟันของมนุษย์ จึงทำให้ผิวชั้นนี้มีสมบัติทนทานต่อแรงกดอัดได้ดี ชั้นที่อยู่ด้านในมีลักษณะซ้ำๆ ของชั้นเส้นใยไคตินที่มีสมบัติด้านความแข็งตึง (ความสามารถในการรักษารูปร่าง) ต่ำ และพบมากในโครงสร้าง ภายนอกของสัตว์จำพวกกุ้ง กั้ง และปู

มีการจัดเรียงตัวในลักษณะวนเป็นเกลียวและเติมเต็มด้วยสารอนินทรีย์ชนิดอสัณฐานที่โครงสร้างของสสารไม่เป็นผลึกอยู่ระหว่างกลาง ทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับแรงกระแทกที่เกิดจากการจู่โจม ส่วนชั้นที่มีลักษณะเป็นลายริ้วๆ (striated region) เป็นเส้นใยไคตินมีหน้าที่ห่อหุ้มกำปั้นทั้งหมดเพื่ออัดองค์ประกอบอนินทรีย์ต่างๆ ให้อยู่ภายในรยางค์ อีกทั้งยังช่วยป้องกันไม่ให้กำปั้นได้รับความเสียหายอีกด้วย

การผสมผสานอย่างลงตัวระหว่างองค์ประกอบในกำปั้นและโครงสร้างการจัดเรียงในแต่ละชั้นทำให้กำปั้นของกั้งตั๊กแตน 7 สีมีสมบัติเหนียว ต้านทานแรงกระแทกได้ดี และมีน้ำหนักเบา ถือว่าเข้าตา กรรมการเลยทีเดียว

เครดิตภาพ: UC Riverside
ภาพที่ 2 การจัดเรียงตัวแบบวนเป็นเกลียวของเส้นใยไคตินภายในกำปั้นของกั้งตั๊กแตน 7 สี

การค้นพบดังกล่าวทำให้ทีมวิจัยของไคเซลัสพัฒนาวัสดุคอมโพสิตให้มีโครงสร้างภายในคล้ายกำปั้นของกั้งตั๊กแตน 7 สี พวกเขาคาดหวังว่าจะนำวัสดุที่พัฒนาขึ้นนี้ไปทำเกราะกันกระสุนที่มีน้ำหนักและ ความหนาลดลงเหลือเพียง 1 ใน 3 จากของเดิม การยิงทดสอบเบื้องต้นพบว่า วัสดุที่พัฒนาขึ้นนี้ได้รับความเสียหายบ้างแต่ยังไม่ทะลุ ส่วนหัวกระสุนปืนมีลักษณะแบนหลังเกิดการกระแทก ผลการทดสอบทำให้ทีมวิจัยเชื่อว่าวัสดุนี้มีแนวโน้มที่จะกันกระสุนได้หากได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมต่อไป

วิวัฒนาการของธรรมชาติได้สร้างสรรค์สิ่งมหัศจรรย์มากมายทำให้มนุษย์มีแหล่งเรียนรู้ที่ไม่มีวันหมดสิ้น เพียงแต่เราจะเห็นคุณค่าและนำมาใช้ประโยชน์หรือไม่เท่านั้น การรู้จักสังเกตและการศึกษาอย่างเป็นระบบจะช่วยพัฒนาให้เกิดนวัตกรรม และเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่มนุษย์เรารอคอยมานานก็เป็นได้

แหล่งข้อมูลและแหล่งที่มาภาพประกอบ
• https://phys.org/news/2014-04-mantis-shrimp-stronger-airplanes.html
• https://phys.org/news/2012-06-unique-fist-like-club-mantis-shrimp.html
• https://news.sciencemag.org/earth/2012/06/mantis-shrimp-smash
• https://articles.latimes.com/2012/jun/08/science/la-sci-0609-strong-shrimp-claws-20120609
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/OdontodactylusScyllarus.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Odontodactylus_scyllarus1.jpg