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“汽车也压不死”!铁定甲虫外骨骼超级坚硬之谜破解

“汽车也压不死”!铁定甲虫外骨骼超级坚硬之谜破解

“汽车也压不死”!铁定甲虫外骨骼超级坚硬之谜破解

“汽车也压不死”!铁定甲虫外骨骼超级坚硬之谜破解(Credit: David Kisailus / Jesus Rivera / UCI

(蜘蛛网eeook.com报道)据科技日报(张梦然):你能承受相当于自己体重4万倍的压力吗?英国《自然》杂志21日公开了一项仿生学及机械学重要研究,美国科学家团队揭开了即使是巨大的挤压力也压不死的自然界“力量”——一种名为铁定甲虫的外骨骼超级坚硬之谜,对这种机械连锁和坚韧性的破译,将结合到成功结构中,在人类航空、建筑和机械领域具有重要应用价值。

“汽车也压不死”,说的就是铁定甲虫。这是一种栖息在橡树上的物种,主要发现于北美西海岸。这种昆虫不具备飞离险境的能力,但它们长有超级抗挤压的外骨骼前翅(称为鞘翅),也就是说,这种昆虫能经受住捕食者的任何挤压和尖刺攻击。它小小的身体即使被人踩住后在上面转圈,抬开脚后它依然无损,甚至被汽车碾过都能安然无恙。这种自然界的神奇力量,对于想要用标准钢丝针将它们固定在展示盒中的昆虫学家来说,构成了不小的挑战。

此次,美国加州大学尔湾分校科学家戴维·奇塞卢斯及其同事,报告了这种独特鞘翅的结构特征和物质组成,它们能让铁定甲虫承受最大149牛顿的力(约为其体重的3.9万倍)。研究团队利用最先进的显微镜、光谱技术和机械测试,在鞘翅中央观察到了一连串形似拼图的连锁关节。研究团队发现,正是这些关节的几何结构以及它们的层状微结构,让铁定甲虫的外骨骼实现了极其出色的机械连锁和坚韧性。

为了测试这种几何结构作为强硬机械紧固件、连接不同材质(如塑料和金属)的潜力,譬如航空航天业对涡轮固件(航空发动机的核心部件之一,可将燃烧室喷出的高温高压热能转变为涡轮轴上的机械能,以带动其他附件)的需求,研究人员利用模拟这种结构的金属复合材料,制作了一系列接头。他们发现,与常用的工程接头相比,依据这一几何结构设计的接头强度更大、韧度也显著增强。

相关报道:科学家揭开铁定甲虫外壳“坚不可摧”的秘密

(蜘蛛网eeook.com报道)据cnBeta:外媒CNET报道,铁定甲虫的外骨骼是动物界最坚硬的外骨骼之一,甚至能经受住被汽车的碾压。科学家们现在认为他们已经知道其中的原因。在本周三发表在《自然》杂志上的一项研究中,研究人员揭开了铁定甲虫惊人的抗压能力的秘密,并展示了新的超强韧材料如何利用甲虫的生物学优势。

乍一看,这种甲虫给人留下了深刻的印象:黑乎乎、凹凸不平的外骨骼,看起来有点像一块烧焦的石头。但在它平凡的外表下,却隐藏着一些结构上的奇迹,是由进化而来。许多种类的甲虫都能飞行,它们的翅膀被包裹在鞘翅中—— 一种保护性的坚韧外壳中 。飞行对甲虫来说是一种很好的防御机制,使它们能够躲避捕食者,但铁定甲虫没有翅膀,经常装死,依靠它的外骨骼来保证安全。

“铁定甲虫是一种陆生甲虫,所以它的重量不轻,速度不快,但建造得更像一个小坦克,”加州大学尔湾分校材料科学与工程教授、该研究的合著者大卫-基赛勒斯在一份新闻稿中说。这种甲虫的外骨骼非常坚韧,甚至给希望展示它们的昆虫学家带来了一些问题--很难将一根针穿过铁甲。

为了研究这些“小坦克”,研究小组的一名成员Jesus Rivera捕捉了甲虫,并将它们带回实验室。首先,研究人员发现甲虫的外骨骼可以承受大约150牛顿的力量--是其体重的39000倍。其他三种陆生甲虫的承受力只有其一半。

但为什么这种特殊的外骨骼会如此强大呢?研究小组使用一种名为微计算机断层扫描的3D成像技术来观察这种甲虫,这种技术的工作原理就像整个生物体的X光。他们重点研究了铁甲虫的外骨骼。

铁甲虫有鞘翅可能看起来很不寻常。毕竟它是一种不能飞的地栖甲虫。但它是由一种曾经会飞的甲虫进化而来, 它的外骨骼的强度取决于它的外骨骼。它们以最非凡的方式融合在一起, 形成了一条蜿蜒曲折的缝合线。

研究人员形容它就像拼图的碎片,连接在一起。将两块拼图锁在一起,可能的失效点就在拼图的“联锁”处。但在高倍显微镜下研究联锁关节,并使用计算机模拟,团队没有看到任何灾难性的失败。联锁关节似乎还能撑得住,将应力传递到整个区域,而不是裂开。这很重要--它保护了甲虫的颈部。此外,铁甲虫的鞘翅的化学成分与飞行甲虫略有不同。它似乎混有较高浓度的蛋白质,这可能会增加昆虫的韧性。

研究人员进一步研究了这种外骨骼的几何形状如何能够开发出更坚韧的材料。他们从甲虫的联锁关节处吸取了教训,并创造了一些碳纤维拼图片,以测试现实世界应用中的机械强度--航空航天工程中使用的紧固件。

“这项工作表明,我们或许可以从使用强而脆的材料转变为通过在断裂时耗散能量而使材料既强又韧的材料,”普渡大学土木工程师、该研究的共同作者Pablo Zavattieri说。

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(蜘蛛网eeook.com报道)据东网:常见于北美洲西岸的铁锭甲虫(Phloeodes diabolicus),拥有号称是世上最坚硬的外骨骼,虽然它们不会飞翔,但外壳却能承受其体重3.9万倍的力量,不论鸟啄、重踩甚至轿车辗压都不能损之分毫。美国一个研究团队最近终于破解了其坚固外壳的秘密,有助人类未来开发出更坚韧的工程材料。

加州大学尔湾分校材料科学家和工程师基赛洛斯(David Kisailus)领导团队,利用显微镜、光谱学和机械测试及经过长期观察,发现铁锭甲虫的鞘翅内有类似拼图接合的叶片状关节,及由薄片组成的细微构造。

这种坚硬又有弹性的结构能把所有外来压力平均分散,令铁锭甲虫的外骨骼变得更坚韧,即使躲在石头底下,也可在不损及内部器官的情况下承受额外重量。

科学家利用金属复合材料仿制这些结构后,发现材料的强度和韧性都得以大幅提高,但要实际应用在航空工程等领域,仍需继续探究。研究结果周三(21日)刊于国际权威学术期刊《自然》。




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