滤食性动物在生态系统中扮演着重要的角色，通过维持食物链的平衡、净化水体和能量转换，对整个生态系统的稳定和健康起着重要作用。甲壳类滤食性动物是一种古老的滤食性动物，在地球上已存在数亿年的时间。早期的甲壳类滤食性动物可以追溯到古生代，例如寒武纪和奥陶纪时期，这些时期是滤食性生物多样性迅速扩展的时期。古生代时期的海洋环境充满了丰富的浮游生物和有机碎屑，滤食性动物得以大量繁衍和演化。同时，甲壳类滤食性动物在生活中也非常常见，是节肢动物门（Arthropoda）中的一个重要类群，包括蟹、虾、螃蟹、贝类等。非洲虾(Atya gabonensis，十足目: 匙指虾科)属于滤食性甲壳类动物，体长51 ~ 138 mm，平均体重30.3±18.7 g，主要生活在南非和西非的急流河流或溪流中。非洲虾的第一螯足和第二螯足上覆盖着柔软的过滤刚毛，这些刚毛起到过滤装置的作用，可用于直接捕获悬浮颗粒，也可用于制造进食流。非洲虾的过滤刚毛非常纤细，长径比为285±99，高于绝大多数滤食性动物的刚毛或鳃丝。此外，刚毛的平均杨氏模量只有11.6 MPa。非洲虾这种极其细长且柔软的过滤刚毛在水流的冲击下保持稳定是非常困难的。然而，对非洲虾的研究仅限于解剖学和生态学方面，其过滤装置的稳定性仍然未知。近期，中山大学先进制造学院吴嘉宁团队联合中山大学航空航天学院吴志刚团队揭示了非洲虾过滤装置保持稳定性的机理，相应的论文发表于国际知名交叉类期刊iScience。
非洲虾的过滤装置（虾螯）上覆盖着茂密而细长的过滤刚毛，其在滤食的过程中喜欢将其过滤装置正面迎着湍急的水流。研究团队利用高速成像技术观测到非洲虾过滤刚毛在水流的冲击下形变量较小，过滤装置基本保持稳定。当水流速度v=40mm/s（大约是非洲虾刚毛椭圆横截面长轴长度的1600倍/秒）时，非洲虾过滤刚毛的最大挠度仅为刚毛总长度的8.5%，研究团队推测非洲虾具有特殊的增刚机制，从而使其过滤装置在湍急水流的冲击下保持结构稳定，进而保证过滤效率。
研究团队为了研究非洲虾过滤装置的增刚机制，首先用扫描电镜（SEM）观察和测量了非洲虾的刚毛，发现它们的刚毛非常细长，长径比为285±99，比大多数其他滤食性动物的刚毛长。刚毛横截面呈椭圆形且壁厚沿椭圆长轴单侧增厚。接着，利用能量色散光谱(Energy Dispersive Spectroscopy)和共聚焦激光扫描显微镜(Confocal laser scanning microscope)测量了刚毛的元素组成和分布。经检验，刚毛主要由C、O、N、S、Cl、Ca和Na组成，材料分布均匀，无明显的材料梯度。利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope）对非洲虾刚毛进行杨氏模量测量，发现非洲虾刚毛的平均杨氏模量只有11.6MPa，低于绝大多数滤食性动物的刚毛或鳃丝。非洲虾的刚毛具有极高的长径比和较低的杨氏模量，但在水流的影响下仍能保持稳定。由于横截面特征对生物结构的弯曲特性有重要影响，因此研究团队假设非洲虾刚毛的独特几何横截面特性可能会潜在地增加它们的刚度。为了验证椭圆形且壁厚沿椭圆长轴单侧增厚的横截面几何形状对增强刚毛刚度的影响，首先通过数学建模的方法对比了四种壁厚增厚方式对刚毛横截面极惯性矩的影响，对比发现，当水流方向平行于刚毛椭圆横截面长轴时，刚毛横截面壁厚沿椭圆长轴单侧增厚最有利于刚毛横截面极惯性矩的增加。然后通过流固耦合仿真的方法对比了非洲虾刚毛与具有相同横截面面积的普通圆形刚毛在相同水流冲击下的挠度。对比结果显示，当流速为40mm/s时，非洲虾的刚毛比具有相同横截面面积的普通圆形刚毛的挠度小约66%，这说明非洲虾这种特殊的横截面特征可以增强刚毛的刚度，使其能够抵抗水流的冲击。
由于非洲虾过滤装置上的刚毛具有规律的分布特征且以束状排列，然而刚毛的分布特征往往会影响到刚毛的整体刚度，因此，研究团队假设非洲虾刚毛的特殊分布特征增强了刚毛的整体刚度。为了验证这个猜想，研究团队结合微观成像技术和微计算机断层扫描技术观测了非洲虾刚毛的分布特征，确定了刚毛呈交错和扭转分布且扭转角θ=3-5°。采用流固耦合仿真的方法，将呈交错和扭转分布的刚毛束（n=15）和单根刚毛在相同流速的水流冲击下的挠度进行对比，对比结果显示，刚毛束的整体挠度比单根刚毛增强了约30%。这也说明了刚毛的分布特征对刚毛整体刚度起增强作用。最后，为了进一步说明过滤装置的结构稳定性与其过滤效率之间的关系，研究团队3D打印了多种不同杨氏模量的仿生过滤装置进行对比验证。对比发现，刚度越高的过滤装置可以捕获更多的颗粒，这也说明了保持结构稳定对非洲虾过滤装置的重要性。
非洲虾过滤装置上刚毛的几何和结构特征增强了结构在急流中的稳定性，从而有可能保证较高的过滤效率。过滤装置的稳定性允许非洲虾在主动和被动过滤方式之间切换，并且可能促进能量消耗和过滤效率之间的权衡。过滤装置保持稳定性的能力使非洲虾更能适应湍急的水环境，并可能启发下一代配备细长结构的海洋机器人。
研究成果以题为“High stability in filtration apparatus of African shrimp”发表在iScience上，中山大学博士生廖益丰和中山大学硕士生王吉为论文共同第一作者，合作者包括中山大学本科生吕俊和中山大学硕士生姜伟。中山大学吴志刚教授，吴嘉宁副教授为共同通讯作者。
以上工作得到了国家自然科学基金面向项目（项目号：52275598）的支持。
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