「物理防御」max！汽車壓不扁的 2 厘米小甲蟲登上 Nature，硬核仿生學(xué)靈感來了

本文作者：付靜

2020-10-23 18:05

導(dǎo)語：永遠(yuǎn)不要低估昆蟲的能力。

人類對(duì)大自然的力量一無所知。

《自然》雜志最新的研究再次印證了這句話——科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種「物理防御」max 的甲蟲，其外骨骼之堅(jiān)硬，可承受的外力高達(dá)其體重的 3.9 萬倍。就算是有輛汽車從身上碾過，它也并不受影響。想要將其做成標(biāo)本，必須得用電鉆才行。

可以說，讓南方同學(xué)心態(tài)日常爆炸的小強(qiáng)（能承受約為體重 900 倍的力）在這種名為鐵錠甲蟲（ironclad beetle）的生物面前，可真是小巫見大巫。

被這種奇特的存在深深吸引的科學(xué)家們，基于對(duì)其外骨骼結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)組成的分析，模擬了一種金屬?gòu)?fù)合材料，并制作了一系列性能優(yōu)異的仿生產(chǎn)品。可以肯定的是，未來這一發(fā)現(xiàn)將在航空、建筑和機(jī)械領(lǐng)域體現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。

汽車壓不扁的甲蟲

2020 年 10 月 21 日，相關(guān)論文正式發(fā)表，題為 Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle（惡魔鐵定甲蟲鞘翅的堅(jiān)韌結(jié)構(gòu)）。

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這一研究背后的團(tuán)隊(duì)來自美國(guó)加州大學(xué)河濱分校（材料科學(xué)與工程系、化學(xué)與環(huán)境工程系）、普渡大學(xué)萊爾斯土木工程學(xué)院、德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校機(jī)械工程系、東京農(nóng)業(yè)科技大學(xué)全球創(chuàng)新研究所、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校材料科學(xué)與工程系。

在介紹鐵錠甲蟲之前，先來看看照片感受一下。

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emmm 看上去外表像石頭，是個(gè)狠角色！

據(jù)了解，鐵錠甲蟲主要棲息于北美西海岸的橡樹上，會(huì)在木材上鉆孔，平時(shí)生活在樹洞里。

曾有試驗(yàn)證實(shí)，鐵錠甲蟲之所以被稱為「惡魔」，是因?yàn)樗哪檬旨寄堋b死。

早在 2015 年，論文合著者之一、來自美國(guó)加州大學(xué)河濱分校材料科學(xué)與工程系的 Jesus Rivera 在參觀學(xué)校的昆蟲博物館時(shí)，第一次接觸到了鐵錠甲蟲。他和團(tuán)隊(duì)開始在校園里四處收集鐵錠甲蟲，帶回實(shí)驗(yàn)室研究。

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上圖展示的是科學(xué)家們用兩塊平行的鋼板對(duì)鐵錠甲蟲進(jìn)行擠壓，并不斷加壓所得的數(shù)據(jù)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這種長(zhǎng)度不過 2 厘米的小甲蟲竟然可以承受高達(dá) 149 牛頓的力，相當(dāng)于 15 公斤的重量，約為其體重的 39000 倍，也是其掠食者咬力的 10 倍。

事實(shí)證明，雖然鐵錠甲蟲在極端情況下不能飛離危險(xiǎn)地帶，但卻總能輕易抵抗食肉動(dòng)物的襲擊、徒步者的踩踏，甚至是汽車的碾壓。

鐵錠甲蟲如此強(qiáng)悍，原因在于它有一種特殊結(jié)構(gòu)：鞘翅（elytra）。

所謂鞘翅，就是指昆蟲的外骨骼前翅，我們熟知的金龜子和瓢蟲身上就有這樣的結(jié)構(gòu)。鞘翅質(zhì)堅(jiān)而厚、抗擠壓，常會(huì)硬化為不透明的角質(zhì)，并不能用于飛行，主要是起到保護(hù)作用。

拼圖式的堅(jiān)韌結(jié)構(gòu)

過去五年，科學(xué)家們帶著這樣一個(gè)問題對(duì)這種小甲蟲進(jìn)行了深入探索：

它的鞘翅為什么如此強(qiáng)大？

通常來講，包括人體骨骼、牙齒、貝殼在內(nèi)的一些天然材料通常都具有特殊的機(jī)械技能，其強(qiáng)度、韌性和自愈合能力都是傳統(tǒng)工程材料無法比擬的。而這種優(yōu)異的性能往往是由于材料具有從分子到宏觀層面的幾個(gè)不同尺度的復(fù)雜分層結(jié)構(gòu)。

對(duì)于節(jié)肢動(dòng)物（包括昆蟲和其他節(jié)肢無脊椎動(dòng)物）來說，其外骨骼主要包括三層——最外層的防水表皮和兩個(gè)為機(jī)體提供保護(hù)和機(jī)械支持的內(nèi)部角質(zhì)層。在兩個(gè)角質(zhì)層中，多糖的分子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成纖維，纖維再組合成扭曲的螺旋狀排列，因此節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼有韌性、可以吸收沖擊能量、耐損傷。

不過這似乎還不足以解釋鐵錠甲蟲外骨骼的優(yōu)異韌性，只能說上述信息為科學(xué)家們的研究提供了一種思路。

借助先進(jìn)的顯微鏡，科學(xué)家們通過光譜學(xué)和原位機(jī)械測(cè)試，進(jìn)行了成分分析和微觀結(jié)構(gòu)表征。

一方面，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)其鞘翅呈橢球形，由復(fù)雜的、有層級(jí)的多個(gè)界面形成。下圖中綠色字樣的 cross section 是指鐵錠甲蟲的橫截面，黃色字樣 elytra 就是重點(diǎn)觀察對(duì)象鞘翅。

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另一方面，鞘翅富含蛋白質(zhì)，但不含甲殼類動(dòng)物外骨骼中常有的無機(jī)礦物質(zhì)，而且其外殼相比其他昆蟲的外殼要厚得多。值得一提的是，這有助于其外骨骼吸收能量，但也還是不能完全解釋為何其韌性如此強(qiáng)大。

為此，科學(xué)家們采取了一種「微計(jì)算機(jī)斷層攝影成像技術(shù)」，繼續(xù)觀察外骨骼界面的顯著特征。

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如上圖，最終科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了：

鞘翅和腹側(cè)角質(zhì)層（甲蟲最下方外殼）相連接處的三種不同類型（交織型 interdigitated、閉鎖型 latching 和獨(dú)立型 free-standing）側(cè)向支撐；
兩個(gè)鞘翅間有一個(gè)堅(jiān)硬的關(guān)節(jié)，即縫合線。

由此，作者得出結(jié)論，正是堅(jiān)硬的交織型支撐保護(hù)了甲蟲的重要器官免受擠壓，而閉鎖型和獨(dú)立型支撐使得外骨骼可以在特定情形下實(shí)現(xiàn)變形，因此鐵錠甲蟲可以擠進(jìn)巖石或樹皮的縫隙中。

小小甲蟲的仿生學(xué)啟發(fā)

上述特性讓科學(xué)家們想到了有類似結(jié)構(gòu)的小強(qiáng)。

曾有科研團(tuán)隊(duì)以小強(qiáng)為靈感，設(shè)計(jì)了一種可壓縮機(jī)器人，這種機(jī)器人可以擠進(jìn)狹小的空間，并在里面移動(dòng)，因此可在災(zāi)難發(fā)生后被應(yīng)用于廢墟中的搜尋工作。

那么，像鐵錠甲蟲的鞘翅這樣精巧的結(jié)構(gòu)是不是也能應(yīng)用于工程領(lǐng)域呢？

沒錯(cuò)！

科學(xué)家們認(rèn)為：

這一發(fā)現(xiàn)可用于發(fā)展有韌性、抗沖擊、抗壓的材料。

為此，科學(xué)家們利用仿生復(fù)合材料制作了一種「連鎖縫合線」（interlocking sutures）。事實(shí)證明，與常用的工程接頭相比，這種材料的確有著相當(dāng)大的韌性。

同時(shí)，他們還模仿甲蟲的外骨骼，3D 打印了具有層壓結(jié)構(gòu)的鋸齒形葉片，并將其與兩種缺乏這種結(jié)構(gòu)的葉片進(jìn)行對(duì)比——結(jié)果是，受甲蟲啟發(fā)的葉片比其他兩種葉片更加堅(jiān)硬，并且還吸收了更多能量。

對(duì)于這一研究，臺(tái)灣清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系科研人員 Po-Yu Chen 進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)——這項(xiàng)研究主要集中在亞毫米和宏觀尺度上的力學(xué)性能，并考慮了鞘翅的微結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于結(jié)構(gòu)特征在鞘翅較小尺度的影響仍需通過多尺度建模和實(shí)驗(yàn)來探索。使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的新方法可能會(huì)加速對(duì)這類層次化結(jié)構(gòu)材料的研究。

無疑，對(duì)鐵錠甲蟲長(zhǎng)達(dá) 5 年的細(xì)致研究，帶來了很多仿生學(xué)啟發(fā)。正如 Po-Yu Chen 所說的那樣：