汽車也壓不死,電鉆才能穿透,這種甲蟲能承受自身體重4萬倍重量

人類如果承受自己體重4萬倍的壓力會怎麼樣,答案是會變成一灘肉泥,普通人類最多只能承受自己體重五倍的重量。

但是在自然界,還真的存在能承受4萬倍重量的生物,那就是鐵定甲蟲,這是一種棲息在橡樹上的物種,主要發現于北美西海岸。身長約 2 厘米,像一個小型坦克,這種昆蟲不具備飛離險境的能力,長得既不輕巧,爬得也不是很快,但它們長有超級抗擠壓的外骨骼前翅(稱為鞘翅),也就是說,這種昆蟲能經受住捕食者的任何擠壓和尖刺攻擊。

鐵定甲蟲的外骨骼是動物界最堅硬的外骨骼之一,甚至能經受住被汽車的碾壓,植物學家制作鐵定甲蟲的標本,甚至需要動用電鉆才能穿透。

這種甲蟲能承受多大的重量呢?來自美國和日本的科學家團隊實測了鐵錠甲蟲的抗壓能力 。科學家們將鐵錠甲蟲放在兩鋼板之間,慢慢加壓,發現加上的力達到自身體重近4萬倍(150N,約是超市里售賣的3袋大米的重量)時,才會把鐵錠甲蟲壓垮。

一直以來,科學家都不清楚為什麼鐵定甲蟲外殼如此堅硬,美國加州大學爾灣分校的David Kisailus研究小組利用先進的顯微鏡、光譜技術和機械測試,作者在連接鐵定甲蟲兩部分鞘翅內側縫(medial suture)觀察到了一連串形似拼圖的聯鎖關節,可能的失效點就在拼圖的「聯鎖」處。但在高倍顯微鏡下研究聯鎖關節,并使用計算機模擬,團隊沒有看到任何災難性的失敗。聯鎖關節似乎能將應力傳遞到整個區域,而不是裂開。 對于可飛行的甲蟲,鞘翅可以通過張開和閉合保護翅膀免受細菌、干燥和其他傷害,而鐵定甲蟲的鞘翅已進化成堅固的保護性盔甲。

作者發現,這些關節的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。

Rivera 等人在進一步的顯微鏡觀察中發現, 鐵定甲蟲的外殼不僅具有強力抗壓能力,而且還具備「變形」的能力,也就是相當于人類的縮骨功,讓鐵定甲蟲可以擠進巖石或樹皮的縫隙中,尋找食物或者躲避天敵。

鐵定甲蟲的抗壓和變形能力主要依靠三種不同的側向支撐類型,根據界面的幾何形狀,可以分為交織型(interdigitated)、閉鎖型(latching)和獨立型(free-standing) 。

定甲蟲的關節和支撐結構

交織型結構可以為鐵定甲蟲的外骨骼提供最大的強度和耐用性;而閉鎖型和獨立型結構則可以使鐵定甲蟲的外骨骼實現「變形」。

而這次發現將促進人類航空、建筑和機械領域的大發展,為了測試這種幾何結構作為強硬機械緊固件、連接不同材質(如塑料和金屬)的潛力,研究人員利用模擬這種結構的金屬復合材料,制作了一系列接頭。他們發現,與常用的工程接頭相比,依據這一幾何結構設計的接頭強度更大、韌度也顯著增強。

研究小組還用碳纖維增強塑料模擬了鐵定甲蟲鞘翅內側縫聯鎖關節,通過將仿生復合材料加到一個鋁接頭上并進行機械測試,發現與標準航空航天緊固件相比,這種結構在結合不同材料方面存在明顯任何優勢,這也意味著人類可以通過鐵定甲蟲結構將飛機的各個部件融合在一起,舍棄傳統的鉚釘和緊固件,因為這些零部件所在的位置往往是應力薄弱點,這將大大增強飛機的可靠性。

圖a為自然狀態下的鞘翅,青色區域用電子顯微鏡觀察,觀察到的圖像是圖b中上圖。圖c為受到拉伸的鞘翅,綠色區域用電子顯微鏡觀察,觀察到的圖像是圖b中下圖。圖d為鞘翅被拉斷的情形。

這種結構緊固材料與部件還能降低機械總重量。如衛星每減1kg結構質量,可使火箭和推進劑減輕500千克。對于商用飛機、戰斗機和衛星或空間站等飛行器, 每減少500克的結構重量,能帶來的經濟效益分別約為300、3000和30000美元。

除此之外,鐵定甲蟲的側向支撐方式可為可壓縮機器人(可以擠進狹小的空間并在里面移動,用于在災難發生后搜尋倒塌建筑物中的幸存者)或裝甲車的設計靈感。

可以說,自然界真的充滿了無窮奧秘,等待著人類去探索。


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