刚开始接触这个课题 ， 我就发觉到虾光是一个非常复杂的现象 。 它涉及到生物学 ， 流体力学 ， 工程热力学 ， 声学以及等离子体等应用物理的知识 。 想要人工“重现”这一现象并加以研究也很困难 。
在回顾历史研究的过程中 ， 有两篇有趣的研究文献吸引了我的目光其中一个是德国的David Hess博士等人[4]关于仿生设计二维虾螯闭合时产生的涡流研究 ， 另外一篇是基于速度最快的螳螂虾（Gonodactylus smithii ， 孔雀螳螂虾 ， 皮皮虾的一种）设计的仿生装置忍虾（Ninjabot）[5] 。 这些奇思妙想的机械装置都很趣 ， 但是都未能完全揭开“激波等离子体枪”的秘密 。
不过 ， 我们从以往的文献和流体力学相关项目的经验推测出 ， 虾螯的几何形态对于高速射流产生空化气穴至关重要 。 因此我将导师收集到枪虾巨螯的虾蛻进行了X光CT扫描 ， 并将扫描的信息转化为高精度的三维模型进行仿生设计 ， 最终成功打造出了我们自己的仿生激波等离子体枪装置 ， 基本还原了“虾光现象” 。
X光三维扫描得到的枪虾的巨螯的几何形态（A-C）和对应的放大5倍的仿生装置部件(D-F) | 唐鑫 ， David Staack 参考文献[6]
一个典型的枪虾巨螯主要由四部分构成：螯锤、螯塞、螯槽以及和倒数第二关节连接的螯节 。 其中螯锤与螯塞部分是主要的活动部分 。 枪虾的激波等离子体枪在发射前 ， 会先将巨螯张开到一定角度 ， 然后通过肌肉控制触发螯锤快速闭合 ， 同时螯塞快速进入螯槽 ， 迫使螯槽内的水从螯槽的射流通道快速排出 。
这个过程类似于我们在水中挤压充满水的医用注射器产生射流的过程 ， 只不过我们的速度远远达不到枪虾的速度（正所谓天下武功 ， 唯快不破） 。 高速的射流使得水中部分位置的静压低于水的蒸汽压 ， 让水在低压下直接沸腾汽化为水蒸气 ， 这就是我们看到的空化气泡 。
这个过程类似于在水中挤压充满水的医用注射器产生射流 | Pexels
枪虾巨螯的外骨骼、肌肉和关节精致复杂 ， 而且在漫长的岁月里进化出了适合“激波等离子体枪”的生物动力学曲线 ， 这很难用现有的精密机械装置来替代 。 因此我就将这部分简化为扭簧来为仿生枪虾装置提供动力 ， 这个设计灵感来源于捕鼠夹和起钉器 。
仿生装置设计图中的离合器就像手枪扳机一样 ， 在将装有扭簧的螯塞部分打开到一定角度后用离合器来固定蓄势待发的螯塞 。 在需要激发的时刻 ， 抬起离合器 ， 螯塞就会在扭簧的扭力作用下快速旋转闭合 ， 将螯槽中的水从喷管形状的出口挤压出来 ， 形成高速的脉冲射流 。
这高速脉冲射流以一定的角度从巨鳌的侧面喷涌而出 ， 形成低压的空化气泡 。 这把威力巨大的激波等离子体枪用的弹药正是枪虾们周围的海水 ， 可以说是取之不尽用之不竭啊 。 大家可以想象一下玩儿RPG游戏时高爆弹药无限 ， 犹如开挂一般的感觉 。
仿生枪虾装置的CAD设计图和实物图 | 唐鑫 参考文献[6]
揭开虾光现象的真容
枪虾巨螯闭合时间是数个毫秒 ， 若想看清楚整个激波等离子体枪发射过程 ， 至少需要1000帧每秒的高速摄像机 ， 普通手机的慢速模式可能只能捕捉到一两帧空化气泡真容 。
在高速摄像机下 ， 我们看到了仿生装置产生空化气泡的过程 ， 以及空化气泡塌缩过程中产生的激波 。
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