揭秘坚不可摧的甲虫
2020-10-26 22:00

揭秘坚不可摧的甲虫

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko,题图来自:视觉中国



铁定甲虫(英文常用名diabolical ironclad beetle,拉丁学名Phloeodes diabolicus)生活在北美洲西部,它们常在橡树和其他树木的树皮下栖息,以菌类为食。和其他许多甲虫相比,这种甲虫的身形更为扁平,外形仿佛就透露着一种“无可碾压”的气质。


铁定甲虫。| 图片来源:David Kisailus / UCI


从某种程度上来说,铁定甲虫确实可以被称为“带着六条腿的微型装甲坦克”。因为这种昆虫最大的特点就是外骨骼非常坚硬,基本上能算是自然界的“下颌粉碎者”。许多潜在的捕食者面对它们时根本无从下口。一些动物也许可以把甲虫整个吞下,但对其他的捕食方式而言,比如鸟的啄食或者蜥蜴的咬食,这种外骨骼的构造方式几乎完全难以破解。


昆虫学家Michael Caterino介绍,铁定甲虫因其超乎寻常的坚韧性而在昆虫学家中“臭名昭著”。在制作昆虫标本时,这种甲虫的外壳也可以把细铁钉弄弯。它们甚至不畏惧汽车,被汽车碾过后仍旧能够存活下来。


这种独特的生物性质不仅吸引着昆虫学家,它同样引起了材料科学家与工程师的好奇。通过对甲虫外骨骼的显微图像、三维打印模型以及计算机模拟的分析,科学家现在已经发现了其外骨骼强度的秘密。一项发表于《自然》的新研究认为,甲虫外骨骼由紧密相扣的冲击吸收结构相连接,这帮助它们承受住巨大的挤压力。而这些特点可能会激发更坚固的新设计,比如制造防弹衣、建筑、桥梁及车辆。



在这项研究中,材料科学家David Kisailus和团队首先对铁定甲虫进行了压缩实验。研究人员发现,尽管这种甲虫长只有2厘米,却可以承受高达149牛顿的压缩力——这大约是15千克的质量,也就是约3.9万倍的自身体重。形象地说,这就相当于一个人能扛下约40辆M1主战坦克。


随后,团队利用高分辨率显微技术,在微观尺度下探索了外骨骼强度。他们发现,在铁定甲虫自身坚不可摧的外骨骼中,有两个关键的微观特征有助于它抵御挤压力。


不同尺度下的铁定甲虫横截面的光学显微照片。(e)与(f)展现了两个关键特征。| 图片来源:Rivera, J. et al. / Nature(图片有简略,原图可见论文)


首先是外骨骼上半部分与下半部分之间的一系列连接。你可以这么想象,这种甲虫的外骨骼几乎就像一个蛤壳的两个部分嵌在一起,上半部分和下半部分外缘的锯齿状凸起互相联锁。


同时,在甲虫整个身体的不同区域中,这些凸起的联锁方式各不相同,主要分为三种。比如,甲虫身体的前部有许多重要的器官。这些器官周围的凸起密集,呈现出像双手十指交握一般的交错结构(下图蓝色)。这种连接异常坚硬,受到压力时能很好地抵抗弯曲。


另一方面,靠近甲虫背部的连接性凸起则没那么密集,呈现锁扣结构(下图紫色)与独立结构(绿色),这使得外骨骼的上半部与下半部之间存在略微滑动的空间。这种柔韧性同样有助于甲虫吸收身体所承受的压力。


 在甲虫整个身体上,上下部分的连接具有不同的形状。图中分别展现了交错结构(蓝色)、锁扣结构(紫色)和独立结构(绿色),并用相应颜色标注对应身体的部位。| 图片来源:Rivera, J. et al. / Nature(图片有简略,原图可见论文)


第二个关键特征则是一个刚性接缝,也被称为缝(suture),它贯穿着甲虫整个背部,连接着左右两侧。这里有一系列的凸起被称为片(blade),这些片像拼图一样拼在一起,将两侧连接在一起。


铁定甲虫背部切片照片,它表明,锯齿形状的部分连着其外骨骼的左边与右边。这些凸起的部分紧密相扣,能够承受巨大的压力,为甲虫提供了坚固的保护。| 图片来源:David Kisailus / UCI


这些片包含着由蛋白质粘合在一起的组织层,这种层状的微结构具有很高的抗损伤性。当甲虫被压时,每片中组织层之间的蛋白质胶会形成微小的裂缝。这些微小的、可愈合的断裂可以吸收冲击力,而不至于让整个结构完全折断。



事实上,在工程应用中,常用材料之间的接缝经常是最为薄弱的区域,拉应力在那里集中,从而可能导致不可预测的灾难性破坏,尤其是,在工程结构中连接不同材料(比如塑料和金属)仍然是一大挑战。尽管目前已经有了许多加固手段,但都有其自身的问题。


在研究中,团队还利用3D打印复制出了这些缝,并在实验室中进行了高应力测试。这些测试显示,相扣的片不会在最薄处突然折断来释放应力,相反,复杂的分层微结构可以让应力会逐渐释放。研究人员还使用碳纤维增强元素设计并制作了人工紧固件。这样一来,在不需要铆钉等部件的情况下,也能更好地将不同材料制成的部分融合在一起。


研究人员制造的具有层状微结构的层压紧固件。| 图片来源:Rivera, J. et al. / Nature(图片有简略,原图可见论文)


这些结果都证明了这种灵感来自生物的材料的优越品质。研究小组希望,这些结果可以应用在开发更坚韧、更能抵御冲击的新材料中,并找到更坚固的方式连接不同的材料。


参考来源:

https://www.sciencenews.org/article/diabolical-ironclad-beetle-exoskeleton-armor-impossible-squish

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2813-8

https://physicsworld.com/a/uncrushable-beetle-reveals-its-strengths-to-scientists/

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02840-1


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko

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