汽車也壓不扁的甲蟲?科學家揭示鐵定甲蟲堅硬外殼密碼

2020-11-23 澎湃新聞

汽車也壓不扁的甲蟲？科學家揭示鐵定甲蟲堅硬外殼密碼

澎湃新聞記者 張唯

2020-10-22 08:14 來源：澎湃新聞

圖：鐵定甲蟲（Phloeodes diabolicus）。

生活在北美西海岸的鐵定甲蟲素有「惡魔鐵甲」稱號，它們擁有堅硬的外骨骼，能經受住捕食者的擠壓、野外徒步旅行者的踩踏，甚至被汽車碾過都可安然無恙。10月21日，一項發表在學術期刊《自然》的研究解釋了鐵定甲蟲的外骨骼如此堅硬的原因。

結合顯微鏡觀察、力學測試和計算機模擬等方法，作者發現，層狀和鋸齒狀的關節以及多種支撐結構將鐵定甲蟲外骨骼的各個部分緊密連接起來，解釋了其外骨骼的韌性來源。他們認為，這一研究結果可能在航空等工程和建築領域具有應用價值。

上述研究題為「Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle」（《鐵定甲蟲鞘翅的增韌機制》），第一作者為美國加州大學河濱分校材料科學與工程專業的博士生Jesus Rivera，通訊作者為加州大學河濱分校教授David Kisailus。

鐵定甲蟲是一種棲息在橡樹上的物種，它的外殼質地粗糙，外形酷似一塊小巖石。David Kisailus和同事介紹，鐵定甲蟲不具備飛離險境的能力，但長有抗擠壓外骨骼前翅（稱為鞘翅）。他們在文中解釋了鐵定甲蟲鞘翅的結構特徵和物質組成，這種鞘翅能讓鐵定甲蟲承受最大149牛頓的力（約為其體重的3.9萬倍）。

圖：鐵定甲蟲外骨骼的關節解釋了它出色的抗擠壓性。

作者在鐵定甲蟲的鞘翅中央觀察到了一連串形似拼圖的聯鎖關節。如圖所示，三種類型的側向支撐結構連接著甲蟲的腹部和鞘翅，分別是交叉式、鎖式和獨立式。交叉式關節在外力擠壓下最為堅硬且結實，而鎖式和獨立式結構則能容許甲蟲的外骨骼在被壓縮時發生一定程度的變形。

他們認為，這種互鎖的關節幾何結構以及它們的層狀微結構讓鐵定甲蟲的外骨骼實現了極其出色的機械聯鎖和堅韌性。

作者利用模擬這種結構的金屬複合材料製作了一系列接頭，用來測試這種幾何結構作為強硬機械緊固件、連接塑料和金屬等不同材質的潛力，例如航空航天業中的渦輪固件。結果發現，與常用的工程接頭相比，他們設計的接頭強度更大、韌度也顯著增強。例如，模擬此類結構的複合材料比現有的工程緊固件抗壓強度更大，分別為19±1.08兆帕和18±0.73兆帕（1兆帕=10^6帕）。

《自然》雜誌在為這篇論文配發的新聞評論中提到，在骨骼、牙齒和貝殼中發現的不少天然材料具有特殊機械性能，能夠將強度、韌性和自愈能力良好結合，這些優異性能是傳統工程材料無法實現的。David Kisailus等人的研究揭示了鐵定甲蟲的抗壓密碼，為製造堅固且可靠的工程接頭提供了新方法。

 

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關鍵詞 >> 甲蟲,鐵定甲蟲,材料科學

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