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「物理防御」max!汽车压不扁的 2 厘米小甲虫登上 Nature,硬核仿生学灵感来了

本文作者:付静 2020-10-23 18:05
导语:永远不要低估昆虫的能力。

人类对大自然的力量一无所知。

《自然》杂志最新的研究再次印证了这句话——科学家们发现了一种「物理防御」max 的甲虫,其外骨骼之坚硬,可承受的外力高达其体重的 3.9 万倍。就算是有辆汽车从身上碾过,它也并不受影响。想要将其做成标本,必须得用电钻才行。

可以说,让南方同学心态日常爆炸的小强(能承受约为体重 900 倍的力)在这种名为铁锭甲虫(ironclad beetle)的生物面前,可真是小巫见大巫。

被这种奇特的存在深深吸引的科学家们,基于对其外骨骼结构特征、物质组成的分析,模拟了一种金属复合材料,并制作了一系列性能优异的仿生产品。可以肯定的是,未来这一发现将在航空、建筑和机械领域体现出重要的应用价值。

汽车压不扁的甲虫

2020 年 10 月 21 日,相关论文正式发表,题为 Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle(恶魔铁定甲虫鞘翅的坚韧结构)。

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这一研究背后的团队来自美国加州大学河滨分校(材料科学与工程系、化学与环境工程系)、普渡大学莱尔斯土木工程学院、德克萨斯大学圣安东尼奥分校机械工程系、东京农业科技大学全球创新研究所、美国劳伦斯伯克利国家实验室,以及美国加州大学尔湾分校材料科学与工程系。

在介绍铁锭甲虫之前,先来看看照片感受一下。

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emmm 看上去外表像石头,是个狠角色!

据了解,铁锭甲虫主要栖息于北美西海岸的橡树上,会在木材上钻孔,平时生活在树洞里

曾有试验证实,铁锭甲虫之所以被称为「恶魔」,是因为它的拿手技能——装死。

早在 2015 年,论文合著者之一、来自美国加州大学河滨分校材料科学与工程系的 Jesus Rivera 在参观学校的昆虫博物馆时,第一次接触到了铁锭甲虫。他和团队开始在校园里四处收集铁锭甲虫,带回实验室研究。

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上图展示的是科学家们用两块平行的钢板对铁锭甲虫进行挤压,并不断加压所得的数据。科学家们发现,这种长度不过 2 厘米的小甲虫竟然可以承受高达 149 牛顿的力,相当于 15 公斤的重量,约为其体重的 39000 倍,也是其掠食者咬力的 10 倍。

事实证明,虽然铁锭甲虫在极端情况下不能飞离危险地带,但却总能轻易抵抗食肉动物的袭击、徒步者的踩踏,甚至是汽车的碾压。

铁锭甲虫如此强悍,原因在于它有一种特殊结构:鞘翅(elytra)。

所谓鞘翅,就是指昆虫的外骨骼前翅,我们熟知的金龟子和瓢虫身上就有这样的结构。鞘翅质坚而厚、抗挤压,常会硬化为不透明的角质,并不能用于飞行,主要是起到保护作用。

拼图式的坚韧结构

过去五年,科学家们带着这样一个问题对这种小甲虫进行了深入探索:

它的鞘翅为什么如此强大?

通常来讲,包括人体骨骼、牙齿、贝壳在内的一些天然材料通常都具有特殊的机械技能,其强度、韧性和自愈合能力都是传统工程材料无法比拟的。而这种优异的性能往往是由于材料具有从分子到宏观层面的几个不同尺度的复杂分层结构。

对于节肢动物(包括昆虫和其他节肢无脊椎动物)来说,其外骨骼主要包括三层——最外层的防水表皮和两个为机体提供保护和机械支持的内部角质层。在两个角质层中,多糖的分子与蛋白质结合形成纤维,纤维再组合成扭曲的螺旋状排列,因此节肢动物的外骨骼有韧性、可以吸收冲击能量、耐损伤。

不过这似乎还不足以解释铁锭甲虫外骨骼的优异韧性,只能说上述信息为科学家们的研究提供了一种思路。

借助先进的显微镜,科学家们通过光谱学和原位机械测试,进行了成分分析和微观结构表征。

一方面,科学家们发现其鞘翅呈椭球形,由复杂的、有层级的多个界面形成。下图中绿色字样的 cross section 是指铁锭甲虫的横截面,黄色字样 elytra 就是重点观察对象鞘翅。

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另一方面,鞘翅富含蛋白质,但不含甲壳类动物外骨骼中常有的无机矿物质,而且其外壳相比其他昆虫的外壳要厚得多。值得一提的是,这有助于其外骨骼吸收能量,但也还是不能完全解释为何其韧性如此强大。

为此,科学家们采取了一种「微计算机断层摄影成像技术」,继续观察外骨骼界面的显著特征。

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如上图,最终科学家们发现了:

  • 鞘翅和腹侧角质层(甲虫最下方外壳)相连接处的三种不同类型(交织型 interdigitated、闭锁型 latching 和独立型 free-standing)侧向支撑;

  • 两个鞘翅间有一个坚硬的关节,即缝合线。

由此,作者得出结论,正是坚硬的交织型支撑保护了甲虫的重要器官免受挤压,而闭锁型和独立型支撑使得外骨骼可以在特定情形下实现变形,因此铁锭甲虫可以挤进岩石或树皮的缝隙中。

小小甲虫的仿生学启发

上述特性让科学家们想到了有类似结构的小强。

曾有科研团队以小强为灵感,设计了一种可压缩机器人,这种机器人可以挤进狭小的空间,并在里面移动,因此可在灾难发生后被应用于废墟中的搜寻工作。

那么,像铁锭甲虫的鞘翅这样精巧的结构是不是也能应用于工程领域呢?

没错!

科学家们认为:

这一发现可用于发展有韧性、抗冲击、抗压的材料。

为此,科学家们利用仿生复合材料制作了一种「连锁缝合线」(interlocking sutures)。事实证明,与常用的工程接头相比,这种材料的确有着相当大的韧性。

同时,他们还模仿甲虫的外骨骼,3D 打印了具有层压结构的锯齿形叶片,并将其与两种缺乏这种结构的叶片进行对比——结果是,受甲虫启发的叶片比其他两种叶片更加坚硬,并且还吸收了更多能量。

对于这一研究,台湾清华大学材料科学与工程系科研人员 Po-Yu Chen 进行了综合评价——这项研究主要集中在亚毫米和宏观尺度上的力学性能,并考虑了鞘翅的微结构,然而对于结构特征在鞘翅较小尺度的影响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领域的新方法可能会加速对这类层次化结构材料的研究。

无疑,对铁锭甲虫长达 5 年的细致研究,带来了很多仿生学启发。正如 Po-Yu Chen 所说的那样:

永远不要低估昆虫的能力。

引用来源:

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

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

https://intra.engr.ucr.edu/~david/project_beetle_exoskeletons.html

https://mp.weixin.qq.com/s/7BNr96jZ_Wk4JENTLLBu3w

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