裂纹诱导的尖端应力

根据传统的认知，裂纹被视为一种典型的缺陷，因为裂纹的存在会将构件体内分散的机械能以极高的效率聚集在裂纹尖端纳米尺度应力场内，进而导致材料发生断裂失效。

蝎子在亿万年的进化过程中，为了能够在恶劣的自然环境下生存，已经进化出了兼顾感知结构（裂纹）安全性与感知功能灵敏性的机制，巧妙地利用了“危险”裂纹尖端应力场奇异的能量集中效应，在防止原有特定尺寸裂纹结构进一步扩展的前提下，实现了微弱振动信号的超敏感知。打破了人们对裂纹尖端能量集中效应有百害而无一利的认知。从能量转化的角度，基于裂纹的超灵敏机械量感受器可以被视为一种高效的机电能量转化微系统

a,b,c图为其生物电神经突起在裂纹尖端的图像

d,e图为共聚焦激光扫描显微镜对该机械-生物电转换系统的成像

f energy conversion mechanism 

上图为基于该裂纹结构而组装的机械应力传感性能

上图为该器件的组装方法

由该预裂纹切口形成的近尖端应力场该研究发现了此裂纹起到了收集机械的积极作用能量而且在受力时没有产生结构性的破裂，而这种结构在传统的工程领域被认为是一种结构缺陷。在机械传感过程中，分散的微小机械能在纳米尺度上会聚在抗裂缝尖端处的近尖端应力场然后转换通过机械感觉神经元进入电能。来自周围环境的机械能和提高机械传感器的灵敏度。

在这项工作中提出的理论表明，蝎子腿部的超敏感的机械感受器代表了一种全新的范式，最大化了机电能量转换的效率因为机械传感的物理本质是机械能的高效转换，即包含在机械信号中的电能。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201807693