“恶魔铁甲”的甲虫被汽车碾过也能存活，科学家发现其奥妙所在

互推小编 2023-12-28

这只名为“恶魔铁甲”的甲虫（Phloeodes diabolicus）有着令人印象深刻的坚韧的外骨骼，使它能够在掠食者的攻击下生存，被徒步旅行者踩踏，甚至被汽车碾过。里维拉等人在《自然》杂志上撰文，揭示了这种甲虫抗压能力的秘密。结合先进的显微镜、力学测试和计算机模拟，作者发现，层状的、锯齿状的接头和各种支撑结构将外骨骼的各个部分连接起来，这就解释了它外骨骼的韧性。

在骨骼、牙齿和贝壳中发现的天然材料，通常具有特殊的机械性能，以传统工程材料无法达到的方式将强度、韧性和自愈能力结合起来。这些优异的性能部分归因于材料的层次结构：成分是由从分子尺度到宏观尺度的几个不同尺度的重复结构或图案组合而成的。更重要的是，不同尺度的积木之间的界面导致协同增强和增韧机制。因此，受大自然的启发，许多人致力于开发具有层次结构的复合材料。

其中一个灵感来自节肢动物的外骨骼，包括昆虫和其他有关节的无脊椎动物。节肢动物外骨骼是一种多功能盔甲，由三个主要层组成：最外层的防水外表皮；下层的外表皮；最内层的内表皮。两个内部角质层为机体提供保护和机械支持。

在角质层中，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（层压）微观结构。这种结构坚固、进行能量吸收（即，它可以吸收冲击能量）和具有损伤容限，因为它能够偏转、扭转和阻止层间界面处的裂纹扩展。但甲壳质角质层的内在性质不足以解释其外骨骼的韧性。

恶魔铁甲甲虫的强大之处

飞行甲虫已经硬化了前翅（elytra），以保护用于飞行的后翅。但恶魔铁甲甲虫已经失去了飞翔的能力，它的前翅被永久性地锁在一起，以保护自己免受捕食者的攻击。里维拉人对这些甲虫的整个外骨骼进行了宏观压缩试验，以研究它们的韧性。

里维拉发现这些小昆虫（大约2厘米长）能承受149牛顿的最大力，相当于大约15公斤的重量。这大约是甲虫体重的3.9万倍，大约是潜在捕食者所产生的咬合力的10倍。在研究人员的实验中，它的重量也远远大于其他三种陆生甲虫的外骨骼所能承受的重量。

里维拉等人对其外骨骼进行了成分分析和显微结构表征研究。研究表明外骨骼富含蛋白质，但不含无机矿物质（甲壳纲动物的外骨骼就是如此），而且它的内囊比其他昆虫厚得多。这种厚度可能有助于增强外骨骼吸收能量的能力，但仍不能完全解释其韧性。

里维拉和他的同事们利用一种叫做显微计算机断层摄影术的成像技术，在外骨骼的界面上观察到了一些显著的特征：鞘翅目和腹侧角质层（甲壳虫下侧的外壳）之间的界面处有侧边支撑；还有一个刚性的关节，被称为缝线，它们永久地融合在一起。有三种不同类型的侧向支撑，它们分布在从外骨骼前部到后部的特定区域。里维拉根据它们的界面几何形状，将其分为叉指型、闭锁型和独立型。这种界面结构的变化在其他甲虫身上是不存在的，它们的全身只有叉指状的支撑。

研究发现坚固而坚硬的交叉指状支撑物用于保护甲虫的重要器官不被压碎，而柔顺的闭锁式和独立式的支撑物允许外骨骼变形，从而使甲虫能够挤入岩石或树皮的缝隙中。蟑螂也有类似的变形能力。这启发了一种可压缩机器人的设计，这种机器人可以挤进狭小的空间并在狭小的空间内移动。这样的机器人可以用来在灾后倒塌的建筑物中搜寻幸存者。

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