甲壳虫身长多少 日产长得像甲壳虫
2015年，在加州大学攻读博士学位的JesusRivera和他的同事进行了一个非常不寻常的科学实验。在阳光普照的停车场的柏油路上，他将一只黑色的铁壳虫放在土枕上，然后让自己的同事驾驶丰田凯美瑞（ToyotaCamry）两次碾压它。
令人震惊的是，这只甲虫并没有如想象中的那样被压死，它还活着。一英寸长（约2厘米）的昆虫被3500磅重的轿车两次碾压，居然还活着，甚至没有刮伤，这简直令人难以置信！要知道这种甲虫的骨骼中不包含任何的矿物质，只有几丁质和蛋白质等有机成分。
这种外表丑陋但外壳坚硬的铁甲虫叫Phloeodesdiabolicus，生活在北美的沙漠地区生活，长约2厘米，通常潜伏在岩石下或树皮下。这种甲壳虫就像一只六脚的小型坦克，具有令人印象深刻的坚硬外骨骼，使其可以抵抗食肉动物的袭击，被徒步旅行者踩踏，甚至被汽车撞倒。
图1：Phloeodesdiabolicus甲壳虫的照片。
在好奇心的驱使下，JesusRivera将整个博士生涯的时间都花在研究这种甲虫及其神奇的抗压能力。终于，5年后JesusRivera和他的同事们弄清楚了这种甲虫坚不可摧的秘密：原来，自然的进化使这种甲壳虫的外骨骼可以承受自身重量39000倍的压力，这相当于一个人能够扛起大约40辆M1Abrams主战坦克。研究成果以“Tougheningmechanismsoftheelytraofthediabolicalironcladbeetle”为题发表在《Nature》上，JesusRivera为文章的第一作者。
那么，这种甲壳虫为什么能够承受这么大的外力？它的外骨骼结构又是怎样的呢？
外骨骼的组成和结构表征
为了评估Phloeodesdiabolicus可以承受多大的力，JesusRivera和同事们对整个外骨骼进行了钢板压缩测试，并将结果与来自同一地区的其他甲虫物种（例如天牛、Eleodesgrandicollis和Cryptoglossamuricata）进行比较。结果显示，其他甲虫能够承受的最大外力载荷小于68N，而Phloeodesdiabolicus能够承受的最大外力可达149N，约为其体重的39000倍。
随后，JesusRivera等人对Phloeodesdiabolicus铁甲虫的外骨骼进行了成分分析和微观结构表征。研究发现，Phloeodesdiabolicus的外骨骼主要由天然多糖的α-chitin（几丁质）分子和蛋白质组成。
通常，节肢动物的外骨骼是一种多功能装甲，主要由三层组成：最外层的防水表皮层，中间的角质层，以及最里面的角质层。其中，两个内部角质层为生物提供保护和机械支持。在角质层中，多糖α-chitin分子与蛋白质结合形成纤维，这些纤维
图2：Phloeodesdiabolicus外骨骼的机械性能和结构表征
为此，JesusRivera等人采用了光谱学，扫描电子显微镜和CT扫描来仔细研究Phloeodesdiabolicus外骨骼。结果发现，Phloeodesdiabolicus的鞘翅在其韧性中起着至关重要的作用。
鞘翅是飞行甲壳虫的前翅，十分坚硬，以保护昆虫用于飞行的更为细密的脉状后翅。然而，在自然的进化过程中，Phloeodesdiabolicus铁甲虫逐渐失去了飞行的技能，它的鞘翅也随着变得更加坚硬，并沿着缝合线永久地锁在一起，就像盔甲一样以提供保护，以免受掠食者侵害。
在Phloeodesdiabolicus外骨骼中，JesusRivera等人观察到了两个独特的结构特征：一种将两个鞘翅永久融合在一起的内侧缝合线（图2e），以及将鞘翅架连接并支撑腹侧角质层的横向接口（图2f）。通常，飞行甲虫鞘翅之间的铰链具有“榫槽结构”，有助于在飞行和着陆期间反复打开和关闭鞘翅。相比之下，Phloeodesdiabolicus鞘翅之间的缝合线包含互锁的、呈锯齿状的结构，称为刀片。
超强抗压能力的奥秘
通过微计算机断层扫描的成像技术，JesusRivera等人在Phloeodesdiabolicus外骨骼的前部到后部的特定区域中发现了三种不同类型的侧向支撑（横向接口）。根据其接口几何形状，可以将这三种类型描述为叉指支撑，闭锁支撑和自支撑（图3）。而在其他甲虫中，整个身体中只有相互交叉的支撑。
图3：Phloeodesdiabolicus外骨骼中的横向支撑结构
随后，JesusRivera等人使用压缩测试和计算模拟研究了三种不同类型的侧向支撑的机械性能。他们观察到，
图4：区域特异性和分级的侧向支撑在P.diabolicus的抗压性中的作用
JesusRivera等人认为，坚硬的叉指支撑接口可用于保护甲虫的重要器官免于被压碎，而闭锁和自支撑接口可使外骨骼变形，从而使甲虫可以挤入岩石或树皮的缝隙中。
蟑螂也具有类似的变形能力，并激发了科学家们关于可压缩机器人的设计灵感。这种机器人可以挤入狭窄的空间并在狭窄的空间中移动，从而可以用来在灾难发生后倒塌的建筑物中寻找幸存者。同样，Phloeodesdiabolicus中功能多样的支撑结构也为可压缩机器人或装甲车的新设计提供了更多更好的途径。
内侧缝合线的界面结构和层压微结构的竞争机制
JesusRivera等人通过将计算模拟和3D打印缝合线模型的机械测试相结合，研究了刀片的几何形状，数量和微结构特征对缝合线机械性能的影响。
图5：刀片几何形状对机械性能的影响
研究发现，内侧缝合线的椭圆几何形状和刀片数量有助于均匀地分布应力，并防止机械互锁元件之间的破裂。由两个刀片组成的3D打印缝合线韧性最大，而具有五个和四个刀片的3D打印缝合线分别表现出最大的刚度和峰值载荷（图5e）。因此，缝合线结构的优化需要在韧性与刚度和抗断裂性之间进行权衡。
进一步对内侧缝合线的横截面进行SEM表征，观察到一种叠层结构（图6a），当置于拉伸载荷下时，该结构显示出局部分层（图6b）。而且，随着应变的增加，出现明显的分层，层间纤维桥接。最后，JesusRivera等人模仿了甲虫的外骨骼，制造了具有层压微结构的拼图形锯齿，并将它们与缺乏这种微结构的两种锯齿进行了比较。结果显示，受甲虫启发的层压刀片比其他两种刀片坚韧得多，并且吸收了更多的能量。
图6:界面微结构在内侧缝合线增韧中的作用。
该分析证实了基于Phloeodesdiabolicus刀片的几何形状和微结构的竞争机制。椭圆形的几何形状在缝合线处提供了最大的互锁性和强度，而刀片微结构内的分层则防止了局部应力，而局部应力会导致颈部断裂，从而确保了甲虫的生存。这也是铁甲虫能够承受超强压力的原因所在！
在工程应用中，材料之间常用的接头通常会在最薄的区域破裂，因为在这些区域中容易出现应力集中，导致无法预测的灾难性破坏。相比之下，受生物启发的刀片中，应力会导致局部分层（分层），刀片的颈部区域横向扩展，从而使互锁的刀片更加紧密地相互抓握。
普渡大学的材料科学家PabloZavattieri说：“这种缝合就像拼图游戏。”“它在鞘翅下方的腹部连接各种外骨骼刀片-拼图碎片。”
这一发现可能为开发更耐用的材料以克服工程挑战铺平道路。例如，设计更安全的飞机发动机，该发动机使用的机械紧固件会增加结构应力，从而降低整个发动机的耐用性。
为了测试这种设计作为类似于涡轮发动机或航空航天结构（例如涡轮叶片或起落架配件中的燕尾榫）的机械紧固件的潜在优势，JesusRivera等人模仿铁甲虫缝合线的拼图结构，使用碳纤维材料制造了飞机发动机的紧固件。负载测试后发现，仿生设计的紧固件不仅与目前使用的紧固件一样坚固，而且韧性也胜出许多。
德州大学圣安东尼奥分校的机械工程师DavidRestrepo说：“一项积极的工程挑战是将不同的材料结合在一起，而又不限制其承受载荷的能力。Phloeodesdiabolicus铁甲虫有规避这些限制的策略。”
参考文献：
Rivera,J.,Hosseini,M.S.,Restrepo,D.etal.Tougheningmechanismsoftheelytraofthediabolicalironcladbeetle.Nature586,543–548(2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2813-8
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2813-8
来源：高分子科学前沿
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