北美原生的恶魔铁甲虫(Nosoderma diabolicum)是自然界拥有最坚韧天然外骨骼的生物,最近科学家终于弄懂这超级装甲背后的秘密,未来或将应用于新材料开发。
自然界有许多巧妙设计,也带给人们发明时许多启发,《自然》(Nature)期刊的新研究中,加州大学尔湾分校(UCI)和普渡大学在恶魔铁甲虫身上发现另一个创新材料的灵感来源。
恶魔铁甲虫最早在美国西南部发现,它喜欢藏在岩石下或树皮后面,与常见甲虫不同,恶魔铁甲虫不能飞行,为了免受鸟类、啮齿动物和蜥蜴等天敌的侵害,除了经典且有效的装死,它们同时也演化出科学已知最坚硬的外骨骼来保护自己。
恶魔铁甲虫的外骨骼究竟有多强大?从数据来看,恶魔铁甲虫可承受 150 牛顿外力,相当于体重 3.9 万倍,其他甲虫物种甚至无法承受一半负荷。如果还是难以想像,不如用这项资讯思考:当轮胎从甲虫身上经过约会产生 100 牛顿力,这意味着不论鸟类啄食或被汽车辗过,恶魔铁甲虫都可以轻松拍拍屁股走“虫”。
恶魔铁甲虫的外骨骼不仅坚硬还有韧性,当外在压力实在太大,也能运用某种程度的拉伸防止断裂。透过显微镜和 CT 扫描分析,研究团队确认关键便在于它们的翅鞘(elytra)。
飞行甲虫中,翅鞘是为保护后翅演化变硬的前翅(像是瓢虫红黑色的外壳),但对无法飞行的铁甲虫来说则进化出不同目的:保护内部器官。
恶魔铁甲虫的翅鞘可提供两层面保护,外层防止甲虫进行多余动作保持外骨骼结构完整,内层的缝线(沿着甲虫腹部将翅鞘分开的线)还有片状结缔组织,像拼图紧密互相锁住,防止任何内部运动。
但如果仅只于此,恶魔铁甲虫的外壳不会如此享负盛名。扫描显示,内层的缝线还有分层(delamination)过程,遭受压力时,连接结构会缓慢彼此拉开,耗散能量防止弹性变形,同时结缔组织还有刺状涂层,像砂纸提供些微阻力。
尽管如果作用力过大仍可能完全瓦解,但与普通结构相比,这种互锁结构断裂过程更平缓,意味着恶魔铁甲虫外壳即使失效时也是“优雅”的长时间进行,在某些情况下,这就是生死攸关的问题。
研究作者、普渡大学土木工程学教授 Pablo Zavattieri 表示,这项工作证明透过让材料碎裂时分散能量,可让坚固的脆性材料转变为既坚固又坚韧的材料。
“这就是大自然让恶魔铁甲虫做到的事。”
透过电脑模拟,研究人员打印出复制结构的 3D 模型,进一步证实外骨骼结构的研究结果,未来有望利用这些知识制造出更高强度的材料。如同过去许多发明都源自仔细观察自然界,恶魔铁甲虫的例子只是又再次证明,人们困扰的许多问题,大自然早有了答案。
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(首图来源:UCI / Jesus Rivera)