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        它為什么這么硬? 鐵甲蟲能扛近四萬倍自重壓力

        2020-02-04 07:17:39
        海外星云 2020年21期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        都說蟑螂是殺不死的小強(qiáng),現(xiàn)在,昆蟲界真正頑強(qiáng)的角色出現(xiàn)了,就是下面那只,看上去一副“武裝色霸氣”,又黑又硬的家伙。

        形如其名,這是一只惡魔鐵甲蟲,生活在美國西海岸干旱地區(qū),雖然不會飛,但它以其硬殼著稱,受到外力刺激還會裝死,最長自然壽命可達(dá)八年。

        它在遭到人類踩踏乃至汽車碾壓后,仍能幸存下來,密實的外殼使它能支撐149牛頓的力,大約等于15千克施壓,食肉動物或者鳥類面對它都無從下嘴,不僅磕牙影響口感,而且吞下去就像生咽了一顆石頭子。

        如果換算成一個人類,這只昆蟲的抗壓性相當(dāng)于往一個重200磅的人身上放兩架飛機(jī)的重量而不被壓死,在壓力實驗中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),它可以承受大約3.9萬倍于自身體重的壓力。

        惡魔鐵甲蟲

        僅2厘米長的惡魔鐵甲蟲就像一個六條腿的小坦克,不得不讓科學(xué)家們好奇,到底什么原因讓它如此頑強(qiáng)?

        剛?cè)岵?jì)的裝甲結(jié)構(gòu)

        日前,加州大學(xué)爾灣分校材料科學(xué)家大衛(wèi)基薩盧斯(David Kisailus)領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊,通過用CT掃描、顯微鏡圖像、三維打印模型和計算機(jī)模擬分析鐵甲蟲裝甲,終于揭示了其高強(qiáng)度的秘密,相關(guān)論文發(fā)表在《自然》雜志上。

        “我們印象深刻。尤其是了解到這種甲蟲外殼不包含任何特殊礦物質(zhì),只是有機(jī)成分構(gòu)成時。”大衛(wèi)基薩盧斯說道。

        一輛汽車碾壓了惡魔鐵甲蟲,它毫發(fā)無損

        天然材料,例如在骨骼、牙齒和貝殼中發(fā)現(xiàn)的材料,通常具有特殊的機(jī)械性能,能以傳統(tǒng)工程材料無法達(dá)到的方式將強(qiáng)度、韌性和自愈能力等性能結(jié)合起來。

        這些優(yōu)異的性能部分歸因于材料的層次,更重要的是,不同尺度的材料之間的契合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了協(xié)同強(qiáng)韌化機(jī)制。因此,許多人都致力于發(fā)展受自然啟發(fā)的層次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

        在對惡魔鐵甲蟲的研究中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其外殼角質(zhì)層中,也是由比較常見的多糖α-甲殼素的分子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成纖維,纖維聚集成扭曲的螺旋狀排列,這種扭曲排列的纖維堆積,使角質(zhì)層具有多層微觀結(jié)構(gòu),形成一定的堅固性和能量吸收。

        但甲殼質(zhì)角質(zhì)層的成分性質(zhì),仍不足以解釋其超級抗壓的特性。

        因為科學(xué)家在兩個鋼結(jié)構(gòu)壓力器之間,壓扁了好幾個它的同類,驚奇地發(fā)現(xiàn)惡魔鐵甲蟲最難壓扁,它的身體在149N的最大外力下才發(fā)生斷裂,平均壓力載荷為133±16N,約為其自身體重的3.9萬倍,這大約是潛在捕食者所產(chǎn)生的咬合力的10倍,甚至能頂彎針頭,而它的幾個相似同類,只能承受小于68N的平均峰值。

        成年人拇指和食指按在一起產(chǎn)生的力約為43.0±18.4N,我們能輕松地捏死一些甲蟲,除了惡魔鐵甲蟲。

        對惡魔鐵甲蟲的測試觀察實驗

        鐵甲蟲主要身體部位堅固的接頭和接口

        如果這些甲蟲的外殼材質(zhì)差不多,那其他能解釋的原因,便是由材料構(gòu)成的抗壓結(jié)構(gòu)不同了。于是,科學(xué)家對惡魔鐵甲蟲的身體進(jìn)行了橫切面分析,顯微鏡下,秘密終于揭曉。

        在這個昆蟲小坦克體內(nèi),兩方面關(guān)鍵的微觀特征幫助其承受了強(qiáng)大擠壓力。

        第一方面,是其外骨骼的上半部分和下半部分之間的一系列連接,在邊緣上有一些凸脊鎖契合在一起,而且接觸面呈現(xiàn)出三種不同類型的側(cè)向支撐,將腹側(cè)角質(zhì)層連接到鞘翅上:叉指式、閉鎖式和獨(dú)立式。叉指關(guān)節(jié)在壓縮下表現(xiàn)最堅硬、最結(jié)實,而閉鎖和獨(dú)立式的支撐使外骨骼在壓縮時可以發(fā)生一些形變,緩沖壓力。

        第二個關(guān)鍵特征,是其背部剛?cè)岵?jì)的接頭或縫合結(jié)構(gòu),其沿甲蟲背部中線延伸,連接起左側(cè)和右側(cè)厚實的裝甲。

        科學(xué)家將這里的一系列凸起物,稱為“刀片”,它們可以像拼圖玩具一樣裝配在一起,將兩側(cè)緊密相連。而且這些刀片包含由蛋白質(zhì)粘合在一起的組織層,具有較高的抗損傷性以及自我修復(fù)性。

        惡魔鐵甲蟲背部裝甲之間的拼裝結(jié)構(gòu)

        一只惡魔鐵甲蟲樣本

        當(dāng)用一定的力擠壓甲蟲時,每個“刀片”層之間的蛋白質(zhì)膠中會形成微小的裂紋,但是科學(xué)家表示,那些小的裂紋,類似于可自愈的“骨折”,這些刀片能夠有效吸收沖擊而不會完全折斷,保護(hù)體內(nèi)的軟組織。

        研究人員認(rèn)為,上層堅固而具有的交叉狀支撐物的堅固結(jié)構(gòu),可用于保護(hù)甲蟲的重要器官不被壓碎;在上下鏈接部分,柔順的閉鎖式和獨(dú)立式的支撐物則允許外骨骼變形,類似于可調(diào)高低的底盤“懸架”一樣,從而使甲蟲能夠擠入巖石或樹皮的縫隙中。

        類似的變形適應(yīng)能力,可啟發(fā)設(shè)計一些可伸縮變形的機(jī)器人,這種機(jī)器人可以擠進(jìn)狹小的空間并在其中移動,可以用來在災(zāi)后倒塌的建筑物中搜尋幸存者。惡魔鐵甲蟲功能多樣的支撐結(jié)構(gòu),也可能給裝甲車輛提供新設(shè)計思路。

        在宏觀尺度上,外骨骼特殊結(jié)合方式產(chǎn)生了不同的側(cè)向支撐,也形成了保護(hù)重要器官的剛性梯度,并在整個身體上均勻分布載荷。

        甲蟲外殼與材料工程學(xué)

        研究人員效仿這種方式,順帶研究了

        “刀片”的幾何結(jié)構(gòu)在數(shù)量、微觀特征等方面如何影響縫合線的機(jī)械性能,他們使用3D打印模型來進(jìn)行計算模擬和機(jī)械測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與其他陸生甲蟲常見的半球形連接結(jié)構(gòu)相比,惡魔鐵甲蟲具備的橢圓形“刀片”縫合結(jié)構(gòu)更堅硬和牢固。

        而且,在這項實驗中,由兩個“刀片”組成的3D打印縫合結(jié)構(gòu),可以兼顧柔性與剛性,而帶有四個“刀片”的縫合線在斷裂前應(yīng)力分布、剛度和峰值載荷似乎最大,因此,縫合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,需要涉及到韌性、剛度和抗斷裂性的多維權(quán)衡。

        對于惡魔鐵甲蟲來說,不得不感嘆,小小的身體里,自然進(jìn)化的結(jié)果是如此偉大,放棄飛行能力的它,讓自身裝甲的進(jìn)化強(qiáng)于大多數(shù)同類。

        甲蟲結(jié)構(gòu)曾被用于裝甲車設(shè)計

        由于缺乏逃離升天的能力,這種沙漠昆蟲具有極強(qiáng)的抗沖擊性和抗擠壓性,且兼顧復(fù)雜和靈活的身體結(jié)構(gòu)調(diào)整。

        延伸到工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,目前連接塑料和金屬等不同材料仍然是一個挑戰(zhàn)。機(jī)械緊固、常規(guī)焊接和粘合是目前比較常用的操作方式,但這些方法中的每一種都有其自身的問題,例如在環(huán)境暴露下形成應(yīng)力集中或退化,進(jìn)而很快降低強(qiáng)度并導(dǎo)致過早失效。

        惡魔鐵甲蟲的身體構(gòu)造會帶來新的啟發(fā),一些仿生設(shè)計其實已經(jīng)在發(fā)生。

        2016年,美國國防承包商BAE Systems宣布了一種新型的可彎曲懸架系統(tǒng),其靈感來便自于一種甲蟲,它可以使軍用車輛能夠經(jīng)受住地雷爆炸的襲擊。

        此外,在飛機(jī)的發(fā)動機(jī)渦扇結(jié)構(gòu)中,金屬和復(fù)合材料通過機(jī)械緊固件連接在一起,這些緊固件不僅增加了重量,也引入了可能導(dǎo)致破裂和腐蝕的應(yīng)力。

        基于這項甲蟲研究,研究人員構(gòu)建了一系列具有橢圓幾何和層壓微觀結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料,并將其與標(biāo)準(zhǔn)航空緊固件(例如,用于連接鋁-碳復(fù)合結(jié)構(gòu)的Hi-Lok緊固件)進(jìn)行了比較。

        用甲蟲結(jié)構(gòu)經(jīng)驗改進(jìn)飛機(jī)渦扇

        對甲蟲的微觀掃描圖

        結(jié)果發(fā)現(xiàn),從惡魔鐵甲蟲身上汲取到的結(jié)構(gòu)“專利”,縫合線的復(fù)合材料葉片比當(dāng)下工程緊固件性能(約18±0.73MPa)略強(qiáng),約為19±1.08MPa,不過這種直接效仿的復(fù)合材料葉片內(nèi),層壓微觀結(jié)構(gòu)還是表現(xiàn)出了漸進(jìn)的失效,所以仍有待優(yōu)化。

        所以,在考慮應(yīng)用之前,科研人員仍需對層壓結(jié)構(gòu)和刀片契合進(jìn)行進(jìn)一步評估,例如,表征其在壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)下的性能,并發(fā)現(xiàn)它們隨著時間推移是如何變得疲勞的。

        下一步仍需通過多尺度建模和實驗來探索,使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法可能會加快應(yīng)用試驗,讓這些結(jié)構(gòu)方式與目前可用的材料結(jié)合,形成更高的工程機(jī)械性能。

        自然進(jìn)化中蘊(yùn)藏?zé)o限靈感

        論文作者之一,大衛(wèi)基薩盧斯在采訪中補(bǔ)充說:“鑒于大自然生物在數(shù)億年的時間里一直在做優(yōu)化和進(jìn)化實驗,人類擁有足夠的資源為下一代材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供靈感?!薄斑@項研究將生物學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的知識與工程應(yīng)用聯(lián)系起來,這些新發(fā)現(xiàn)通常是我們看不到的。”

        倫敦自然歷史博物館的甲蟲策展人馬克斯巴克萊是一位甲蟲專家。他認(rèn)為,盡管許多甲蟲都可以逃脫威脅,但這種不會飛的惡魔鐵甲蟲必須靠堅強(qiáng)才能生存。大多數(shù)甲蟲只能活幾周,但惡魔鐵甲蟲卻能活七到八年。

        “這種甲蟲和其他甲蟲一樣在地球上生活了上千年,因此它們必須掌握其他短命同類所不具備的特殊方式,來保護(hù)自己免受滅頂之災(zāi)?!?/p>

        人類再一次向大自然拜師學(xué)藝,對于惡魔鐵甲蟲“裝甲套件”的研究成果,可能會激發(fā)新的、更堅固的設(shè)計方案,除了改進(jìn)裝甲車和飛機(jī),也有望用在未來新一代防彈衣、建筑、橋梁等設(shè)計上。

        最后,感謝實驗室里犧牲的惡魔鐵甲蟲們?yōu)槿祟惪萍歼M(jìn)步所做的貢獻(xiàn)。(摘自美《深科技》) (編輯/克珂)

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