材料科学家发现几乎坚不可摧的昆虫的设计秘密

经常试图做一顿饭,但很少成功。用汽车跑了它,救生员终止了。

甲虫的生存取决于两个关键因素:它令人信服地发挥着死亡的能力和外骨骼,这是生物世界中已知的最艰难,最抗抗性的结构之一。在今天发表的论文中 自然,加州大学的研究人员,Irvine等机构揭示了物质组件 - 及其纳米和微观的蓝图 - 使生物体如此坚不可摧,同时也展示了工程师如何从这些设计中受益。

“铁德尔德是一个陆地甲虫,所以它不轻便快速,但建造了更像一点坦克,”原理调查员和相应的作者  David Kisailus.,UCI材料科学教授&工程。 “这是它的适应:它不能飞走,所以它只是留下来,让它的特殊设计的盔甲在捕食者放弃之前滥用虐待。”

在美国西南的沙漠栖息地,甲虫可以在岩石和树木下找到,挤在树皮和行李箱之间 - 它需要具有持久的外观。

在该项目中,Kisailus'实验室的研究生耶稣Rivera耶稣Rivera赢得了他的博士学位,于2015年在访问UC Riverside的着名昆虫学博物馆期间首先了解了这些生物,他和威尔岛正在运作当时。 Rivera从内陆帝国校园周围的网站收集了甲虫,并将它们带回Kisailus的实验室来进行压缩测试,将结果与南加州原产的其他物种的结果进行比较。他们发现,恶魔般的Ironclad甲虫可以承受其体重约39,000倍的力。一个200英镑的男人必须忍受780万英镑的压碎重量,以等于这个壮举。

进行一系列高分辨率的微观和光谱评估,Rivera和Kisailus了解到,Bug的秘密在于其外骨骼的材料构成和架构,特别是其Elytra。在空中甲虫中,Elytra是前翅刀片,打开和接近保护从细菌,干燥和其他伤害来源的飞行翅膀。 Ironclad的Elytra已经发展成为一个坚实的保护盾。

Kisailus和Rivera的分析表明,Elytra由几丁质,纤维材料和蛋白质基质组成。与由Atsushi Arakaki和他的研究生Satoshi Murata领导的集团合作,既从东京农业和技术大学,他们都检查了一只较轻的飞甲虫的外骨骼的化学成分,并将其与其地下主题的野蛮人进行了比较。恶魔般的Ironclad Beetle的外层具有显着较高的蛋白质 - 重量浓度约为10% - 研究人员表明有助于Elytra的增强韧性。

材料科学家发现几乎坚不可摧的昆虫的设计秘密

内侧缝合线的横截面,其中两半的恶魔般的Ironclad甲虫Elytra会面,显示了昆虫令人难以置信的耐用性的钥匙之一的拼图配置。耶稣Rivera / UCI

该团队还调查了中介缝合的几何形状,将鞘翅的两个部分加入了Elytra的两个部分,发现它看起来非常像拼图的互锁拼图。 Rivera在电子显微镜内建立了一个装置,观察这些连接在压缩下的表现如何,类似于它们如何在自然界中响应。他的实验结果揭示了,而不是在这些互锁的“颈部”区域上,Elytra叶片内的微观结构通过分层或分层压裂而导致方法。

“当你打破一个拼图的时候,你希望它在脖子上分开,最薄的部分,”威尔士说。 “但是我们没有看到这种灾难性分裂与这个甲虫。相反,它分层,提供了一个更加优雅的结构失败。“

Rivera的进一步显微镜检查公开了这些叶片的外表面具有称为MicroTrichia的棒状元件阵列,因为科学家认为这是摩擦垫,提供滑动的阻力。

Kisailus派Rivera与Dula Parkinson和哈德·伯克利国家实验室的先进光源一起使用Dula Parkinson和Harold Barnard,在那里他们使用极其强大的X射线实时定位了高分辨率实验,以确定结构内的变化。

结果证实,在压缩期间,缝合线 - 而不是在最薄的点处破裂 - 缓慢分层而不发生灾难性失败。他们还经过验证的是,几何形状,材料部件及其组装对于制作甲虫的外骨骼如此艰难和坚固的壮观方面至关重要。

为了进一步证实他们的实验观察,Rivera和Co-authors Maryam Hosseini和David Restremo - 普遍大学的普尔德大学的实验室 - 就业3D打印技术,以创建自己的相同设计的结构。它们的测试显示,该装置提供了最大的强度和耐用性。 PURDUE团队的模型显示,几何形状不仅能够更强的互锁,而且叠层提供更可靠的界面。

kisailus表示,他在Ironclad Beetle的外骨骼和其他生物系统中看到了很大的承诺,为新物质受益于人性。他的实验室已经基于这些特性进行了先进的纤维增强的复合材料,并且他设想了在不使用传统铆钉和紧固件的情况下在不使用传统铆钉和紧固件的情况下一起开发用于熔化飞机段的新方法,每个传统铆钉和紧固件都代表结构中的应力点。

他的团队,包括UC河畔本科龙,模仿椭圆形,互核蛋白质的椭圆形,封锁甲虫的外骨骼与碳纤维增强塑料。它们与铝耦合加入其仿生复合材料,并进行了机械测试,以确定是否存在具有粘合不同材料的标准航空航天紧固件的任何优点。果然,科学家发现甲虫激发的结构比目前的工程紧固件更强壮而变得更加艰难。

“这项研究真的弥合了生物学,物理,力学和材料科学领域,您通常在研究中不得在研究中看到,”Kisailus说。 “幸运的是,这个由空军赞助的这个程序,真的使我们能够形成这些多学科团队,帮助连接点来导致这一重要发现。”

该项目 - 从美国陆军研究办公室,美国能源部和东京农业和科技全球创新研究所的科学研究办公室获得支持 - 还包括德克萨斯大学的研究人员圣安东尼奥。

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