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科学家拜师铁甲虫,轿车压不死,能扛3.9万倍自重压力

都说甲由是杀不死的小强,现在,昆虫界真实刚强的人物呈现了,就是下面那只,看上去一副 “装备色霸气”,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,遭到外力影响还会装死,最长天然寿数可达八年。

它在遭到人类践踏甚至轿车碾压后,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,食肉动物或许鸟类面临它都无从下嘴,不只磕牙影响口感,并且吞下去就像生咽了一颗石头子。

图|恶魔铁甲虫

咱们换算成一个人类,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分量而不被压死,在压力试验中,科学家们发现,它可以接受大约 3.9 万倍于本身体重的压力。

仅 2 厘米长的恶魔铁甲虫就像一个六条腿的小坦克,不得不让科学家们猎奇,究竟什么原因让它如此刚强?

刚柔并济的装甲结构

日前,加州大学尔湾分校资料科学家大卫?基萨卢斯领导团队,经过用 CT 扫描、显微镜图画、三维打印模型和核算机模仿剖析铁甲虫装甲,总算提醒了其高强度的隐秘,相关论文宣告在《天然》杂志上。

“咱们形象深入。尤其是了解到这种甲虫外壳不包括任何特别矿物质,仅仅有机成分构成时。” 大卫?基萨卢斯说道。

图|一辆轿车碾压了恶魔铁甲虫,它毫发无损

天然资料,例如在骨骼、牙齿和贝壳中发现的资料,一般具有特别的机械功用,能以传统工程资料无法到达的办法将强度、耐性和自愈才干等功用结合起来。

这些优异的功用部分归因于资料的层次,更重要的是,不同规范的资料之间的符合结构导致了协同强韧化机制。因而,许多人都致力于开展受天然启示的层次结构复合资料。

在对恶魔铁甲虫的研讨中,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构成纤维,纤维聚集成歪曲的螺旋状牌子,这种歪曲牌子的纤维堆积,使角质层具有多层微观结构,构成必定的巩固性和能量吸收。

但甲壳质角质层的成分性质,仍不足以解说其超级抗压的特性。

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,惊讶地发现恶魔铁甲虫最难压扁,它的身体在 149 N 的最大外力下才产生开裂,均匀压力载荷为 133±16 N,约为其本身体重的 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,只能接受小于 68N 的均匀峰值。

图|对恶魔铁甲虫的测验调查试验

成年人拇指和食指按在一同产生的力约为 43.0±18.4N,咱们能轻松地捏死一些甲虫,除了恶魔铁甲虫。

咱们这些甲虫的外壳原料差不多,那其他能解说的原因,就是由资料构成的抗压结构不同了。所以,科学家对恶魔铁甲虫的身体进行了横切面剖析,显微镜下,隐秘总算揭晓。

在这个昆虫小坦克体内,两方面要害的微观特征协助其接受了强壮揉捏力。

榜首方面,是其外骨骼的上半部分和下半部分之间的一系列衔接,在边际上有一些凸脊锁符合在一同,并且接触面呈现出三种不同类型的侧向支撑,将腹侧角质层衔接到鞘翅上:叉指式、闭锁式和独立式。叉指关节在紧缩下体现最巩固、最健壮,而闭锁和独立式的支撑使外骨骼在紧缩时可以产生一些形变,缓冲压力。

图|铁甲虫首要身体部位巩固的接头和接口

第二个要害特征,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,衔接起左边和右侧扎实的装甲。

科学家将这儿的一系列凸起物,称为 “刀片”,它们可以像拼图玩具相同安装在一同,将两边严密相连。并且这些刀片包括由蛋白质粘合在一同的安排层,具有较高的抗损害性以及自我修复性。

当用必定的力揉捏甲虫时,每个 “刀片” 层之间的蛋白质胶中会构成细小的裂纹,可是科学家表明,那些小的裂纹,相似于可自愈的 “骨折”,这些刀片可以有用吸收冲击而不会彻底折断,维护体内的软安排。

图|恶魔铁甲虫背部装甲之间的组装结构

研讨人员以为,上层巩固而具有的穿插状支撑物的巩固结构,可用于维护甲虫的重要器官不被压碎;在上下链接部分,和婉的闭锁式和独立式的支撑物则答应外骨骼变形,相似于可调凹凸的底盘 “悬架” 相同,从而使甲虫可以挤入岩石或树皮的缝隙中。

相似的变形适应才干,可启示规划一些可弹性变形的机器人,这种机器人可以挤进狭小的空间并在其间移动,可以用来在灾后坍毁的修建物中搜索幸存者。恶魔铁甲虫功用多样的支撑结构,也或许给坦克车辆供给新规划思路。

在微观规范上,外骨骼特别结合办法产生了不同的侧向支撑,也构成了维护重要器官的刚性梯度,并在整个身体上均匀散布载荷。

甲虫外壳与资料工程学

研讨人员仿效这种办法,顺带研讨了 “刀片” 的几许结构在数量、微观特征等方面怎么影响缝合线的机械功用,他们运用 3D 打印模型来进行核算模仿和机械测验。成果发现,与其他陆生甲虫常见的半球形衔接结构比较,恶魔铁甲虫具有的椭圆形 “刀片” 缝合结构更巩固和结实。

并且,在这项试验中,由两个 “刀片” 组成的 3D 打印缝合结构,可以统筹柔性与刚性,而带有四个 “刀片” 的缝合线在开裂前应力散布、刚度和峰值载荷好像最大,因而,缝合结构的优化,需求涉及到耐性、刚度和抗开裂性的多维权衡。

图|一只恶魔铁甲虫样本

关于恶魔铁甲虫来说,不得不感叹,小小的身体里,天然进化的成果是如此巨大,抛弃飞翔才干的它,让本身装甲的进化强于大多数同类。

因为缺少逃离升天的才干,这种沙漠昆虫具有极强的抗冲击性和抗揉捏性,且统筹杂乱和灵敏的身体结构调整。

延伸到工程结构范畴,现在衔接塑料和金属等不同资料仍然是一个应战。机械紧固、惯例焊接和粘合是现在比较常用的操作办法,但这些办法中的每一种都有其本身的问题,例如在环境露出下构成应力会集或退化,从而很快下降强度并导致过早失效。

恶魔铁甲虫的身体结构会带来新的启示,一些仿生规划其实已经在产生。

图|甲虫结构曾被用于坦克车规划

2016 年,美国国防承包商 BAE Systems 宣告了一种新式的可曲折悬架体系,其创意来便自于一种甲虫,它可以使军用车辆可以饱尝住地雷爆破的突击。

此外,在飞机的发动机涡扇结构中,金属和复合资料经过机械紧固件衔接在一同,这些紧固件不只增加了分量,也引入了或许导致决裂和腐蚀的应力。

根据这项甲虫研讨,研讨人员构建了一系列具有椭圆几许和层压微观结构的仿生复合资料,并将其与规范航空紧固件进行了比较。

图|用甲虫结构经历改善飞机涡扇

成果发现,从恶魔铁甲虫身上汲取到的结构 “专利”,缝合线的复合资料叶片比当下工程紧固件功用略强,约为 19±1.08 MPa,不过这种直接仿效的复合资料叶片内,层压微观结构仍是体现出了渐进的失效,所以仍有待优化。

所以,在考虑运用之前,科研人员仍需对层压结构和刀片符合进行进一步评价,例如,表征其在紧缩、曲折和扭转下的功用,并发现它们跟着时间推移是怎么变得疲惫的。

下一步仍需经过多规范建模和试验来探究,运用人工智能和机器学习等办法或许会加速运用试验,让这些结构办法与现在可用的资料结合,构成更高的工程机械功用。

图|对甲虫的微观扫描图

天然进化中蕴藏无限创意

论文作者之一,大卫?基萨卢斯在采访中弥补说:“鉴于大天然生物在数亿年的时间里一向在做优化和进化试验,人类具有满足的资源为下一代资料和结构规划供给创意。”“这项研讨将生物学、物理学、力学和资料科学等范畴的常识与工程运用联系起来,这些新发现一般是咱们看不到的。”

伦敦天然历史博物馆的甲虫策展人马克斯?巴克莱是一位甲虫专家。他以为,虽然许多甲虫都可以逃脱要挟,但这种不会飞的恶魔铁甲虫有必要靠刚强才干生计。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相同在地球上生活了上千年,因而它们有必要把握其他短寿同类所不具有的特别办法,来维护自己免受灭顶之灾。”

人类再一次向大天然拜师学艺,关于恶魔铁甲虫 “装甲套件” 的研讨成果,或许会激起新的、更巩固的规划方案,除了改善坦克车和飞机,也有望用在未来新一代防弹衣、修建、桥梁等规划上。

最终,感谢试验室里献身的恶魔铁甲虫们为人类科技进步所做的奉献。

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