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它为什么这么硬?科学家拜师铁甲虫,汽车压不死,能扛3.9万倍自重压力

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  都说蟑螂是 杀不死的小强,现在,昆虫界真正顽强的角色出现了,就是下面那只 ,看上去一副 “武装色霸气”,又黑又硬的家伙。



  形如其名,这是一只恶魔铁甲虫,生活在美国西海岸干旱地区,虽然不会飞,但它以其硬壳著称,受到外力刺激还会装死,最长自然寿命可达八年。

  它在遭到人类踩踏乃至汽车碾压后,仍能幸存下来,密实的外壳使它能支撑 149 牛顿的力,大约等于 15 千克施压,食肉动物或者鸟类面对它都无从下嘴,不仅磕牙影响口感,而且吞下去就像生咽了一颗石头子。


  图|恶魔铁甲虫(来源:维基百科)

  如果换算成一个人类,这只 昆虫的抗压性相当于往一个重 200 磅的人身上放两架飞机的重量而不被压死,在压力实验中,科学家们发现,它可以承受大约 3.9 万倍于自身体重的压力。

  仅 2 厘米长的恶魔铁甲虫就像一个六条腿的小坦克,不得不让科学家们好奇,到底什么原因让它如此顽强?

  刚柔并济的装甲结构

  日前,加州大学尔湾分校材料科学家大卫基萨卢斯(David Kisailus)领导团队,通过用 CT 扫描、显微镜图像、三维打印模型和计算机模拟分析铁甲虫装甲,终于揭示了其高强度的秘密,相关论文发表在《自然》杂志上。

  “我们印象深刻。尤其是了解到这种甲虫外壳不包含任何特殊矿物质,只是有机成分构成时。” 大卫基萨卢斯说道。



  图|一辆汽车碾压了恶魔铁甲虫,它毫发无损(来源:Nature)

  天然材料,例如在骨骼、牙齿和贝壳中发现的材料,通常具有特殊的机械性能,能以传统工程材料无法达到的方式将强度、韧性和自愈能力等性能结合起来。

  这些优异的性能部分归因于材料的层次,更重要的是,不同尺度的材料之间的契合结构导致了协同强韧化机制。因此,许多人都致力于发展受自然启发的层次结构复合材料。

  在对恶魔铁甲虫的研究中,科学家发现其外壳角质层中,也是由比较常见的多糖 α- 甲壳素的分子与蛋白质结合形成纤维,纤维聚集成扭曲的螺旋状排列,这种扭曲排列的纤维堆积,使角质层具有多层微观结构,形成一定的坚固性和能量吸收。

  但甲壳质角质层的成分性质,仍不足以解释其超级抗压的特性。

  因为科学家在两个钢结构压力器之间,压扁了好几个它的同类,惊奇地发现恶魔铁甲虫最难压扁,它的身体在 149 N 的最大外力下才发生断裂,平均压力载荷为 133±16 N,约为其自身体重的 3.9 万倍,这大约是潜在捕食者所产生的咬合力的 10 倍,甚至能顶弯针头,而它的几个相似同类,只能承受小于 68N 的平均峰值。


  图|对恶魔铁甲虫的测试观察实验(来源:Nature)

  成年人拇指和食指按在一起产生的力约为 43.0±18.4N,我们能轻松地捏死一些甲虫,除了恶魔铁甲虫。

  如果这些甲虫的外壳材质差不多,那其他能解释的原因,便是由材料构成的抗压结构不同了。于是,科学家对恶魔铁甲虫的身体进行了横切面分析,显微镜下,秘密终于揭晓。

  在这个昆虫小坦克体内,两方面关键的微观特征帮助其承受了强大挤压力。

  第一方面,是其外骨骼的上半部分和下半部分之间的一系列连接,在边缘上有一些凸脊锁契合在一起,而且接触面呈现出三种不同类型的侧向支撑,将腹侧角质层连接到鞘翅上:叉指式、闭锁式和独立式。叉指关节在压缩下表现最坚硬、最结实,而闭锁和独立式的支撑使外骨骼在压缩时可以发生一些形变,缓冲压力。


  图|铁甲虫主要身体部位坚固的接头和接口(来源:Nature)

  第二个关键特征,是其背部刚柔并济的接头或缝合结构,其沿甲虫背部中线延伸,连接起左侧和右侧厚实的装甲。

  科学家将这里的一系列凸起物,称为 “刀片”,它们可以像拼图玩具一样装配在一起,将两侧紧密相连。而且这些刀片包含由蛋白质粘合在一起的组织层,具有较高的抗损伤性以及自我修复性。

  当用一定的力挤压甲虫时,每个 “刀片” 层之间的蛋白质胶中会形成微小的裂纹,但是科学家表示,那些小的裂纹,类似于可自愈的 “骨折”,这些刀片能够有效吸收冲击而不会完全折断,保护体内的软组织。


图|恶魔铁甲虫背部装甲之间的拼装结构 (来源:Nature)

  研究人员认为,上层坚固而具有的交叉状支撑物的坚固结构,可用于保护甲虫的重要器官不被压碎;在上下链接部分,柔顺的闭锁式和独立式的支撑物则允许外骨骼变形,类似于可调高低的底盘 “悬架” 一样,从而使甲虫能够挤入岩石或树皮的缝隙中。

  类似的变形适应能力,可启发设计一些可伸缩变形的机器人,这种机器人可以挤进狭小的空间并在其中移动,可以用来在灾后倒塌的建筑物中搜寻幸存者。恶魔铁甲虫功能多样的支撑结构,也可能给装甲车辆提供新设计思路。

  在宏观尺度上,外骨骼特殊结合方式产生了不同的侧向支撑,也形成了保护重要器官的刚性梯度,并在整个身体上均匀分布载荷。

  甲虫外壳与材料工程学

  研究人员效仿这种方式,顺带研究了 “刀片” 的几何结构在数量、微观特征等方面如何影响缝合线的机械性能,他们使用 3D 打印模型来进行计算模拟和机械测试。结果发现,与其他陆生甲虫常见的半球形连接结构相比,恶魔铁甲虫具备的椭圆形 “刀片” 缝合结构更坚硬和牢固。

  而且,在这项实验中,由两个 “刀片” 组成的 3D 打印缝合结构,可以兼顾柔性与刚性,而带有四个 “刀片” 的缝合线在断裂前应力分布、刚度和峰值载荷似乎最大,因此,缝合结构的优化,需要涉及到韧性、刚度和抗断裂性的多维权衡。


  图|一只恶魔铁甲虫样本(来源:Nature)

  对于恶魔铁甲虫来说,不得不感叹,小小的身体里,自然进化的结果是如此伟大,放弃飞行能力的它,让自身 装甲的进化强于大多数同类。

  由于缺乏逃离升天的能力,这种沙漠昆虫具有极强的抗冲击性和抗挤压性,且兼顾复杂和灵活的身体结构调整。

  延伸到工程结构领域,目前连接塑料和金属等不同材料仍然是一个挑战。机械紧固、常规焊接和粘合是目前比较常用的操作方式,但这些方法中的每一种都有其自身的问题,例如在环境暴露下形成应力集中或退化,进而很快降低强度并导致过早失效。

  恶魔铁甲虫的身体构造会带来新的启发,一些仿生设计其实已经在发生。


  图|甲虫结构曾被用于装甲车设计(来源:sciencecodex)

  2016 年,美国国防承包商 BAE Systems 宣布了一种新型的可弯曲悬架系统,其灵感来源自于一种甲虫,它可以使军用车辆能够经受住地雷爆炸的袭击。

  此外,在飞机的发动机涡扇结构中,金属和复合材料通过机械紧固件连接在一起,这些紧固件不仅增加了重量,也引入了可能导致破裂和腐蚀的应力。

  基于这项甲虫研究,研究人员构建了一系列具有椭圆几何和层压微观结构的仿生复合材料,并将其与标准航空紧固件(例如,用于连接铝 - 碳复合结构的 Hi-Lok 紧固件)进行了比较。


  图|用甲虫结构经验改进飞机涡扇 (来源:Nature)

  结果发现,从恶魔铁甲虫身上汲取到的结构 “专利”,缝合线的复合材料叶片比当下工程紧固件性能(约 18±0.73 MPa)略强,约为 19±1.08 MPa,不过这种直接效仿的复合材料叶片内,层压微观结构还是表现出了渐进的失效,所以仍有待优化。

  所以,在考虑应用之前,科研人员仍需对层压结构和刀片契合进行进一步评估,例如,表征其在压缩、弯曲和扭转下的性能,并发现它们随着时间推移是如何变得疲劳的。

  下一步仍需通过多尺度建模和实验来探索,使用人工智能和机器学习等方法可能会加快应用试验,让这些结构方式与目前可用的材料结合,形成更高的工程机械性能。


图|对甲虫的微观扫描图(来源:UCI)

  自然进化中蕴藏无限灵感

  论文作者之一,大卫基萨卢斯在采访中补充说: “鉴于大自然生物在数亿年的时间里一直在做优化和进化实验,人类拥有足够的资源为下一代材料和结构设计提供灵感。”“这项研究将生物学、物理学、力学和材料科学等领域的知识与工程应用联系起来,这些新发现通常是我们看不到的。”

  伦敦自然历史博物馆的甲虫策展人马克斯巴克莱(Max Barclay)是一位甲虫专家。他认为,尽管许多甲虫都可以逃脱威胁,但这种不会飞的恶魔铁甲虫必须靠坚强才能生存。大多数甲虫只能活几周 ,但恶魔铁甲虫却能活七到八年。

  “这种甲虫和其他甲虫一样在地球上生活了上千年,因此它们必须掌握其他短命同类所不具备的特殊方式,来保护自己免受灭顶之灾。”

  人类再一次向大自然拜师学艺,对于恶魔铁甲虫 “装甲套件” 的研究成果,可能会激发新的、更坚固的设计方案,除了改进装甲车和飞机,也有望用在未来新一代防弹衣、建筑、桥梁等设计上。

  最后,感谢实验室里牺牲的恶魔铁甲虫们为人类科技进步所做的贡献。


  -End-

  参考:

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

  https://www.theguardian.com/environment/2020/oct/21/scientists-reveal-diabolical-ironclad-beetle-bear-huge-weights

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

  https://news.uci.edu/2020/10/21/uci-materials-scientists-discover-design-secrets-of-nearly-indestructible-insect/


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