恶魔般的铁甲虫：可以幸免于难的昆虫的设计秘诀

恶魔般的铁甲虫原产于南加州的沙漠栖息地，其外骨骼是已知存在于动物界中的最坚韧，最抗压的结构之一。UCI研究人员领导了一个项目，研究导致这种生物坚不可摧的成分和结构。

对于那具恶魔般的铁甲虫来说，开车撞车并不是濒临死亡的经历。

工程师在今天（2020年10月21日，星期三）在自然杂志上发表的一篇论文中指出，甲虫如何生存能够激发具有相同韧性的新材料的开发。

研究人员说，这些材料将像回形针一样坚硬但具有延展性，从而使诸如飞机燃气轮机之类的机械更安全，使用寿命更长。

这项由加利福尼亚大学欧文分校（UCI）和普渡大学的工程师牵头的研究发现，这只恶魔般的铁甲虫的超强韧性在于两条装甲状的“ elytron”，它们在一条线（称为缝线）处相遇，并达到了一定的长度。腹部。

在飞行的甲虫中，鞘翅目可以保护机翼并促进飞行。但是，恶魔般的铁甲虫没有翅膀。相反，鞘线和结缔缝合线有助于将施加的力更均匀地分布到整个身体。

“缝合的行为就像拼图游戏。它在鞘管下的腹部连接各种外骨骼刀片（拼图碎片）。”普渡大学的杰里M.和琳达T.恩格哈特土木工程学教授Pablo Zavattieri说。

Zavattieri说，根据所施加的力量大小，可以通过几种不同的方式来解开拼图游戏。该视频介绍了以下发现：

恶魔般的铁甲虫是如此坚韧，可以承受约100牛顿的力被汽车撞倒。普渡大学和UC-Irvine的工程师联手解锁了甲虫的秘密。

为了揭示这些策略，由UCI教授David Kisailus领导的团队首先测试了甲虫外骨骼的极限，并通过查看CT扫描来鉴定涉及的各种结构成分。

UCI研究人员使用抗压钢板发现，在外骨骼开始破裂之前，这具恶魔般的铁甲虫可以承受约150牛顿的作用力-至少是其体重的39,000倍。

比声音更令人印象深刻：研究人员估计，如果汽车轮胎在甲虫上的污垢表面上行驶，它将施加约100牛顿的力。该团队测试的其他陆生甲虫甚至无法忍受恶魔般的铁甲承受的力的一半。

Zavattieri的实验室通过广泛的计算机模拟和3D打印的模型对这些实验进行了跟踪，这些模型将某些结构隔离开来，以更好地了解它们在拯救甲虫生命中的作用。

所有这些研究的结合表明，当在压缩压力下，例如汽车轮胎时，恶魔般的铁甲虫的曲线状缝合线提供了两道防线。

恶魔般的铁甲虫的腹部带有拼图状的刀片，可以“分层”，以防止甲虫的外骨骼在巨大的力量下突然衰竭。普渡大学的研究人员使用3D打印版本的刀片模拟了这种机制。

首先，互连刀片锁定以防止自身像拼图碎片那样从缝线中拉出。第二，缝合线和刀片分层，从而导致更优美的变形，减轻了外骨骼的灾难性故障。每种策略都会耗费精力，以避开对甲虫的外骨骼最容易破裂的颈部造成致命伤害的动作。

即使对甲虫的外骨骼施加最大的力，分层也可以使相互连接的刀片更轻柔地从缝合线中拔出。如果叶片互锁太多或太少，突然释放能量会导致甲虫的脖子折断。

至今还不知道那具恶魔般的铁甲虫是否有办法在“车祸”中幸存下来。但是了解这些策略已经可以解决各种机械中的疲劳问题。

“一项积极的工程挑战是将不同的材料连接在一起，而又不限制其支撑载荷的能力。魔鬼般的铁甲甲虫有规避这些限制的策略，”德克萨斯大学圣安东尼奥分校的助理教授戴维·雷斯特雷波（David Restrepo）说，他曾在Zavattieri研究组担任该博士后研究员。

例如，在飞机的燃气轮机中，金属和复合材料通过机械紧固件连接在一起。该紧固件增加了重量并引入了可能导致破裂和腐蚀的应力。

这些紧固件最终会降低系统的性能，因此需要经常更换。但是，恶魔般的铁甲虫的界面缝合线提供了强大且更可预测的故障，可以帮助解决这些问题。在此项目中担任博士学位的Maryam Hosseini说。 Zavattieri小组的学生和博士后研究员。Hosseini现在是宝洁公司的工程经理。

UCI研究人员制造了一种碳纤维复合材料紧固件，模仿了恶魔般的铁甲虫的缝合线。普渡大学的研究人员通过载荷测试发现，这种紧固件的强度与标准航空航天紧固件的强度相同，但坚韧得多。

“这项工作表明，我们可以通过使用易碎的耗散能量来将其从坚固的脆性材料转变为既坚固又坚韧的材料。Zavattieri说。

参考：耶稣·里维拉，玛利亚姆·萨达特·侯赛尼，大卫·雷斯特雷波，村田聪，德拉戈·瓦西勒，迪尔沃思·帕金森，哈罗德·S·巴纳德，Atsushi Arakaki，帕勃罗·扎瓦蒂蒂和大卫·基萨鲁伊斯在10月21日发表的“恶魔般的铁甲虫的鞘翅的增韧机制” 2020年，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-2813-8

这项研究得到了空军科研办公室和陆军研究办公室通过多大学研究计划的资助（授予编号FA9550-15-1-0009）。这项研究使用了美国能源部科学办公室用户设施高级光源中的资源。