這種甲蟲為何堅不可摧?揭秘來了!

2021-01-08 騰訊網

鐵定甲蟲（英文常用名diabolical ironclad beetle，拉丁學名Phloeodes diabolicus）生活在北美洲西部，它們常在橡樹和其他樹木的樹皮下棲息，以菌類為食。和其他許多甲蟲相比，這種甲蟲的身形更為扁平，外形仿佛就透露著一種「無可碾壓」的氣質。

鐵定甲蟲。| 圖片來源：David Kisailus / UCI

從某種程度上來說，鐵定甲蟲確實可以被稱為「帶著六條腿的微型裝甲坦克」。因為這種昆蟲最大的特點就是外骨骼非常堅硬，基本上能算是自然界的「下頜粉碎者」。許多潛在的捕食者面對它們時根本無從下口。一些動物也許可以把甲蟲整個吞下，但對其他的捕食方式而言，比如鳥的啄食或者蜥蜴的咬食，這種外骨骼的構造方式幾乎完全難以破解。

昆蟲學家Michael Caterino介紹，鐵定甲蟲因其超乎尋常的堅韌性而在昆蟲學家中「臭名昭著」。在製作昆蟲標本時，這種甲蟲的外殼也可以把細鐵釘弄彎。它們甚至不畏懼汽車，被汽車碾過後仍舊能夠存活下來。

這種獨特的生物性質不僅吸引著昆蟲學家，它同樣引起了材料科學家與工程師的好奇。通過對甲蟲外骨骼的顯微圖像、三維列印模型以及計算機模擬的分析，科學家現在已經發現了其外骨骼強度的秘密。一項發表於《自然》的新研究認為，甲蟲外骨骼由緊密相扣的衝擊吸收結構相連接，這幫助它們承受住巨大的擠壓力。而這些特點可能會激發更堅固的新設計，比如製造防彈衣、建築、橋梁及車輛。

在這項研究中，材料科學家David Kisailus和團隊首先對鐵定甲蟲進行了壓縮實驗。研究人員發現，儘管這種甲蟲長只有2釐米，卻可以承受高達149牛頓的壓縮力——這大約是15千克的質量，也就是約3.9萬倍的自身體重。形象地說，這就相當於一個人能扛下約40輛M1主戰坦克。

隨後，團隊利用高解析度顯微技術，在微觀尺度下探索了外骨骼強度。他們發現，在鐵定甲蟲自身堅不可摧的外骨骼中，有兩個關鍵的微觀特徵有助於它抵禦擠壓力。

不同尺度下的鐵定甲蟲橫截面的光學顯微照片。（e）與（f）展現了兩個關鍵特徵。| 圖片來源：Rivera, J. et al. / Nature（圖片有簡略，原圖可見論文）

首先是外骨骼上半部分與下半部分之間的一系列連接。你可以這麼想像，這種甲蟲的外骨骼幾乎就像一個蛤殼的兩個部分嵌在一起，上半部分和下半部分外緣的鋸齒狀凸起互相聯鎖。

同時，在甲蟲整個身體的不同區域中，這些凸起的聯鎖方式各不相同，主要分為三種。比如，甲蟲身體的前部有許多重要的器官。這些器官周圍的凸起密集，呈現出像雙手十指交握一般的交錯結構（下圖藍色）。這種連接異常堅硬，受到壓力時能很好地抵抗彎曲。

另一方面，靠近甲蟲背部的連接性凸起則沒那麼密集，呈現鎖扣結構（下圖紫色）與獨立結構（綠色），這使得外骨骼的上半部與下半部之間存在略微滑動的空間。這種柔韌性同樣有助於甲蟲吸收身體所承受的壓力。

在甲蟲整個身體上，上下部分的連接具有不同的形狀。圖中分別展現了交錯結構（藍色）、鎖扣結構（紫色）和獨立結構（綠色），並用相應顏色標註對應身體的部位。| 圖片來源：Rivera, J. et al. / Nature（圖片有簡略，原圖可見論文）

第二個關鍵特徵則是一個剛性接縫，也被稱為縫（suture），它貫穿著甲蟲整個背部，連接著左右兩側。這裡有一系列的凸起被稱為片（blade），這些片像拼圖一樣拼在一起，將兩側連接在一起。

鐵定甲蟲背部切片照片，它表明，鋸齒形狀的部分連著其外骨骼的左邊與右邊。這些凸起的部分緊密相扣，能夠承受巨大的壓力，為甲蟲提供了堅固的保護。| 圖片來源：David Kisailus / UCI

這些片包含著由蛋白質粘合在一起的組織層，這種層狀的微結構具有很高的抗損傷性。當甲蟲被壓時，每片中組織層之間的蛋白質膠會形成微小的裂縫。這些微小的、可癒合的斷裂可以吸收衝擊力，而不至於讓整個結構完全折斷。

事實上，在工程應用中，常用材料之間的接縫經常是最為薄弱的區域，拉應力在那裡集中，從而可能導致不可預測的災難性破壞，尤其是，在工程結構中連接不同材料（比如塑料和金屬）仍然是一大挑戰。儘管目前已經有了許多加固手段，但都有其自身的問題。

在研究中，團隊還利用3D列印複製出了這些縫，並在實驗室中進行了高應力測試。這些測試顯示，相扣的片不會在最薄處突然折斷來釋放應力，相反，複雜的分層微結構可以讓應力會逐漸釋放。研究人員還使用碳纖維增強元素設計並製作了人工緊固件。這樣一來，在不需要鉚釘等部件的情況下，也能更好地將不同材料製成的部分融合在一起。

研究人員製造的具有層狀微結構的層壓緊固件。| 圖片來源：Rivera, J. et al. / Nature（圖片有簡略，原圖可見論文）

這些結果都證明了這種靈感來自生物的材料的優越品質。研究小組希望，這些結果可以應用在開發更堅韌、更能抵禦衝擊的新材料中，並找到更堅固的方式連接不同的材料。

參考來源：

https://www.sciencenews.org/article/diabolical-ironclad-beetle-exoskeleton-armor-impossible-squish

https://physicsworld.com/a/uncrushable-beetle-reveals-its-strengths-to-scientists/

封面設計：雯雯子

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