大家都知道蟑螂是踩不死的小强，但昆虫界真正连被汽车辗过都能存活的生物，是常见于美国西岸干旱地区的恶魔铁铠甲虫。最近，清华大学材料科学工程学系陈柏宇教授团队挖掘了这种甲虫外壳如此耐压的秘密，并可将这些特殊结构应用于建筑、航太、机械工程等各领域。
多数人避之唯恐不及的蟑螂虽然恶名昭彰，但至少一脚下去也能送它上黄泉，然而恶魔铁铠甲虫（Diabolical Ironclad Beetle）绝对比蟑螂还要顽强，这种甲虫可承受其体重 3.9 万倍的压力，踩不扁、捏不碎、大头针刺下去弯掉的是针、被汽车辗过去像被搔痒，猎食它的口感像吃到一颗小石头，坚硬的外壳使它们几乎没有天敌，真遇上危险时甚至还会装死。
这难道是因为铁铠甲虫的外壳含有什么特殊成分吗？然而分析表明恶魔铁铠甲虫的外壳不含铁或什么特殊矿物质，和其他昆虫一样都是由几丁质和蛋白质所组成，那为何它们超级耐压？
陈柏宇教授团队便解开了恶魔铁铠甲虫外壳之所以如此坚硬的 2 种关键结构。
第一：刚柔并济的侧向支撑带来优秀变形能力。恶魔铁铠甲虫的骨架并非直挺挺通到底，而是分成前、中、后三段，前段紧密契合保护重要内脏器官，中段简单互扣可局部变形，后段则能自由滑动可完全变形，当受到外力压迫时，中后段便可局部或大幅度变形，有助于甲虫钻进石缝躲藏或树皮间隙中觅食。
▲ 恶魔铁铠甲虫超耐压外壳结构。（Source：清华大学简报）
第二，翅鞘内部具有高韧性的层状榫接结构。当这种层状微结构受力时，层与层间会形成微小裂缝造成体积膨胀，使突起与凹槽扣锁得更紧密，有别于均质结构在受力时会脆性断裂（想像一下粉笔），层状结构能大幅提升韧性。
这项发现或能帮助解决不同材料接合处常因应力集中而较为脆弱的问题，在航太、机械工程、建筑等实际应用方面，能改善抗爆装甲车、救灾机器人或发动机涡轮叶片的设计。
▲ 层状榫接结构。（Source：清华大学简报）
除了铁铠甲虫，陈柏宇教授过去其实研究过各种生物材料，举凡贝壳、蟹壳、鹿角、羊角、巨嘴鸟喙、鸟羽、鲨鱼/食人鱼牙齿、鱼鳞、鳄鱼/犰狳胄甲、眼镜蛇蛋壳、乌贼骨板等，论文曾发表于科学（Science）期刊并著有仿生材料教科书。
虽然仿生结构有时会因太过复杂而导致实际制程困难度提高、成本大幅增加进而限制发展，对此陈柏宇表明，应试着去芜存菁，找到最关键且可行的最佳化结构再来谈论应用，比如由贝类珍珠层微观结构启发，透过机器学习设计具高韧性的复合材料；由枫香果实启发，设计超轻量、高强度的孔洞材料；由甲虫外壳启发，开发耐冲击并高能量吸收的螺旋梯度结构；或由蜻蜓翅膀启发，利用基因算法生成结合轻、强、韧特性的二维材料。
该研究衍生了“整合人工智能与材料基因技术之仿生轻量化结构材料设计平台”，在收集大量生物材料资料后，可利用 AI 找出有机会互相结合的材料，结合不同结构优点设计出更强韧材料，比如耐撞的鹿角内部结构与耐弯的蝴蝶翅膀结构，可以合并成更轻、更强的仿生结构。
▲ 鹿角结构与蝴蝶翅膀结构结合，形成最右边的新型强韧结构。
（首图来源：科技新报）
