被車輾被鳥啄都不怕,新研究揭「惡魔鐵甲蟲」極硬外殼祕密

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 26 日 16:35 | 分類 材料 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


北美原生的惡魔鐵甲蟲(Nosoderma diabolicum)是自然界擁有最堅韌天然外骨骼的生物,最近科學家終於弄懂這超級裝甲背後的祕密,未來或將應用於新材料開發。

自然界有許多巧妙設計,也帶給人們發明時許多啟發,《自然》(Nature)期刊的新研究中,加州大學爾灣分校(UCI)和普渡大學在惡魔鐵甲蟲身上發現另一個創新材料的靈感來源。

惡魔鐵甲蟲最早在美國西南部發現,牠喜歡藏在岩石下或樹皮後面,與常見甲蟲不同,惡魔鐵甲蟲不能飛行,為了免受鳥類、囓齒動物和蜥蜴等天敵的侵害,除了經典且有效的裝死,牠們同時也演化出科學已知最堅硬的外骨骼來保護自己。

惡魔鐵甲蟲的外骨骼究竟有多強大?從數據來看,惡魔鐵甲蟲可承受 150 牛頓外力,相當於體重 3.9 萬倍,其他甲蟲物種甚至無法承受一半負荷。如果還是難以想像,不如用這項資訊思考:當輪胎從甲蟲身上經過約會產生 100 牛頓力,這意味著不論鳥類啄食或被汽車輾過,惡魔鐵甲蟲都可以輕鬆拍拍屁股走「蟲」。

惡魔鐵甲蟲的外骨骼不僅堅硬還有韌性,當外在壓力實在太大,也能運用某種程度的拉伸防止斷裂。透過顯微鏡和 CT 掃描分析,研究團隊確認關鍵便在於牠們的翅鞘(elytra)。

飛行甲蟲中,翅鞘是為保護後翅演化變硬的前翅(像是瓢蟲紅黑色的外殼),但對無法飛行的鐵甲蟲來說則進化出不同目的:保護內部器官。

惡魔鐵甲蟲的翅鞘可提供兩層面保護,外層防止甲蟲進行多餘動作保持外骨骼結構完整,內層的縫線(沿著甲蟲腹部將翅鞘分開的線)還有片狀結締組織,像拼圖緊密互相鎖住,防止任何內部運動。

但如果僅只於此,惡魔鐵甲蟲的外殼不會如此享負盛名。掃描顯示,內層的縫線還有分層(delamination)過程,遭受壓力時,連接結構會緩慢彼此拉開,耗散能量防止彈性變形,同時結締組織還有刺狀塗層,像砂紙提供些微阻力。

儘管如果作用力過大仍可能完全瓦解,但與普通結構相比,這種互鎖結構斷裂過程更平緩,意味著惡魔鐵甲蟲外殼即使失效時也是「優雅」的長時間進行,在某些情況下,這就是生死攸關的問題。

研究作者、普渡大學土木工程學教授 Pablo Zavattieri 表示,這項工作證明透過讓材料碎裂時分散能量,可讓堅固的脆性材料轉變為既堅固又堅韌的材料。

「這就是大自然讓惡魔鐵甲蟲做到的事。」

透過電腦模擬,研究人員列印出複製結構的 3D 模型,進一步證實外骨骼結構的研究結果,未來有望利用這些知識製造出更高強度的材料。如同過去許多發明都源自仔細觀察自然界,惡魔鐵甲蟲的例子只是又再次證明,人們困擾的許多問題,大自然早有了答案。

(首圖來源:UCI / Jesus Rivera