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汽车也压不死,用电钻才能穿透,这种甲虫能承受4万倍重量

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  人类如果承受自己体重4万倍的压力会怎么样,答案是会变成一滩肉泥,普通人类最多只能承受自己体重五倍的重量。

  但是在自然界,还真的存在能承受4万倍重量的生物,那就是铁定甲虫,这是一种栖息在橡树上的物种,主要发现于北美西海岸。身长约 2 厘米,像一个小型坦克,这种昆虫不具备飞离险境的能力,长得既不轻巧,爬得也不是很快,但它们长有超级抗挤压的外骨骼前翅(称为鞘翅),也就是说,这种昆虫能经受住捕食者的任何挤压和尖刺攻击。

  

  铁定甲虫的外骨骼是动物界最坚硬的外骨骼之一,甚至能经受住被汽车的碾压,植物学家制作铁定甲虫的标本,甚至需要动用电钻才能穿透。

  这种甲虫能承受多大的重量呢?来自美国和日本的科学家团队实测了铁锭甲虫的抗压能力 。科学家们将铁锭甲虫放在两钢板之间,慢慢加压,发现加上的力达到自身体重近4万倍(150N,约是超市里售卖的3袋大米的重量)时,才会把铁锭甲虫压垮。

  

  一直以来,科学家都不清楚为什么铁定甲虫外壳如此坚硬,美国加州大学尔湾分校的David Kisailus研究小组利用先进的显微镜、光谱技术和机械测试,作者在连接铁定甲虫两部分鞘翅内侧缝(medial suture)观察到了一连串形似拼图的联锁关节,可能的失效点就在拼图的“联锁”处。但在高倍显微镜下研究联锁关节,并使用计算机模拟,团队没有看到任何灾难性的失败。联锁关节似乎能将应力传递到整个区域,而不是裂开。对于可飞行的甲虫,鞘翅可以通过张开和闭合保护翅膀免受细菌、干燥和其他伤害,而铁定甲虫的鞘翅已进化成坚固的保护性盔甲。

  

  作者发现,这些关节的几何结构以及它们的层状微结构让铁定甲虫的外骨骼实现了极其出色的机械联锁和坚韧性。

  Rivera 等人在进一步的显微镜观察中发现, 铁定甲虫的外壳不仅具有强力抗压能力,而且还具备“变形”的能力,也就是相当于人类的缩骨功,让铁定甲虫可以挤进岩石或树皮的缝隙中,寻找食物或者躲避天敌。

  

  铁定甲虫的抗压和变形能力主要依靠三种不同的侧向支撑类型,根据界面的几何形状,可以分为交织型(interdigitated)、闭锁型(latching)和独立型(free-standing) 。

  

  定甲虫的关节和支撑结构

  交织型结构可以为铁定甲虫的外骨骼提供最大的强度和耐用性;而闭锁型和独立型结构则可以使铁定甲虫的外骨骼实现“变形”。

  而这次发现将促进人类航空、建筑和机械领域的大发展,为了测试这种几何结构作为强硬机械紧固件、连接不同材质(如塑料和金属)的潜力,研究人员利用模拟这种结构的金属复合材料,制作了一系列接头。他们发现,与常用的工程接头相比,依据这一几何结构设计的接头强度更大、韧度也显著增强。

  研究小组还用碳纤维增强塑料模拟了铁定甲虫鞘翅内侧缝联锁关节,通过将仿生复合材料加到一个铝接头上并进行机械测试,发现与标准航空航天紧固件相比,这种结构在结合不同材料方面存在明显任何优势,这也意味着人类可以通过铁定甲虫结构将飞机的各个部件融合在一起,舍弃传统的铆钉和紧固件,因为这些零部件所在的位置往往是应力薄弱点,这将大大增强飞机的可靠性。

  

  

图a为自然状态下的鞘翅,青色区域用电子显微镜观察,观察到的图像是图b中上图。图c为受到拉伸的鞘翅,绿色区域用电子显微镜观察,观察到的图像是图b中下图。图d为鞘翅被拉断的情形。

  这种结构紧固材料与部件还能降低机械总重量。如卫星每减1kg结构质量,可使火箭和推进剂减轻500千克。对于商用飞机、战斗机和卫星或空间站等飞行器, 每减少500克的结构重量,能带来的经济效益分别约为300、3000和30000美元。

  

  除此之外,铁定甲虫的侧向支撑方式可为可压缩机器人(可以挤进狭小的空间并在里面移动,用于在灾难发生后搜寻倒塌建筑物中的幸存者)或装甲车的设计灵感。

  

  可以说,自然界真的充满了无穷奥秘,等待着人类去探索。

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