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汽车|「物理防御」max！汽车压不扁的 2 厘米小甲虫登上 Nature，硬核仿生学灵感来了


人类对大自然的力量一无所知 。
《自然》杂志最新的研究再次印证了这句话——科学家们发现了一种「物理防御」max 的甲虫 ， 其外骨骼之坚硬 ， 可承受的外力高达其体重的 3.9 万倍 。 就算是有辆汽车从身上碾过 ， 它也并不受影响 。 想要将其做成标本 ， 必须得用电钻才行 。
可以说 ， 让南方同学心态日常爆炸的小强（能承受约为体重 900 倍的力）在这种名为铁锭甲虫（ironclad beetle）的生物面前 ， 可真是小巫见大巫 。
被这种奇特的存在深深吸引的科学家们 ， 基于对其外骨骼结构特征、物质组成的分析 ， 模拟了一种金属复合材料 ， 并制作了一系列性能优异的仿生产品 。 可以肯定的是 ， 未来这一发现将在航空、建筑和机械领域体现出重要的应用价值 。
汽车压不扁的甲虫
2020 年 10 月 21 日 ， 相关论文正式发表 ， 题为 Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle（恶魔铁定甲虫鞘翅的坚韧结构） 。
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本文插图

这一研究背后的团队来自美国加州大学河滨分校（材料科学与工程系、化学与环境工程系）、普渡大学莱尔斯土木工程学院、德克萨斯大学圣安东尼奥分校机械工程系、东京农业科技大学全球创新研究所、美国劳伦斯伯克利国家实验室 ， 以及美国加州大学尔湾分校材料科学与工程系 。
在介绍铁锭甲虫之前 ， 先来看看照片感受一下 。
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本文插图

emmm 看上去外表像石头 ， 是个狠角色！
据了解 ， 铁锭甲虫主要栖息于北美西海岸的橡树上 ， 会在木材上钻孔 ， 平时生活在树洞里 。
曾有试验证实 ， 铁锭甲虫之所以被称为「恶魔」 ， 是因为它的拿手技能——装死 。
早在 2015 年 ， 论文合著者之一、来自美国加州大学河滨分校材料科学与工程系的 Jesus Rivera 在参观学校的昆虫博物馆时 ， 第一次接触到了铁锭甲虫 。 他和团队开始在校园里四处收集铁锭甲虫 ， 带回实验室研究 。
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本文插图

上图展示的是科学家们用两块平行的钢板对铁锭甲虫进行挤压 ， 并不断加压所得的数据 。 科学家们发现 ， 这种长度不过 2 厘米的小甲虫竟然可以承受高达 149 牛顿的力 ， 相当于 15 公斤的重量 ， 约为其体重的 39000 倍 ， 也是其掠食者咬力的 10 倍 。
事实证明 ， 虽然铁锭甲虫在极端情况下不能飞离危险地带 ， 但却总能轻易抵抗食肉动物的袭击、徒步者的踩踏 ， 甚至是汽车的碾压 。
铁锭甲虫如此强悍 ， 原因在于它有一种特殊结构：鞘翅（elytra） 。
所谓鞘翅 ， 就是指昆虫的外骨骼前翅 ， 我们熟知的金龟子和瓢虫身上就有这样的结构 。 鞘翅质坚而厚、抗挤压 ， 常会硬化为不透明的角质 ， 并不能用于飞行 ， 主要是起到保护作用 。
拼图式的坚韧结构
过去五年 ， 科学家们带着这样一个问题对这种小甲虫进行了深入探索：
它的鞘翅为什么如此强大？
通常来讲 ， 包括人体骨骼、牙齿、贝壳在内的一些天然材料通常都具有特殊的机械技能 ， 其强度、韧性和自愈合能力都是传统工程材料无法比拟的 。 而这种优异的性能往往是由于材料具有从分子到宏观层面的几个不同尺度的复杂分层结构 。
对于节肢动物（包括昆虫和其他节肢无脊椎动物）来说 ， 其外骨骼主要包括三层——最外层的防水表皮和两个为机体提供保护和机械支持的内部角质层 。 在两个角质层中 ， 多糖的分子与蛋白质结合形成纤维 ， 纤维再组合成扭曲的螺旋状排列 ， 因此节肢动物的外骨骼有韧性、可以吸收冲击能量、耐损伤 。


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