被汽車輾過還能活!「惡魔鐵鎧甲蟲」超耐壓,清大解密 2 種關鍵結構

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 24 日 15:18 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


大家都知道蟑螂是踩不死的小強,但昆蟲界真正連被汽車輾過都能存活的生物,是常見於美國西岸乾旱地區的惡魔鐵鎧甲蟲。最近,清華大學材料科學工程學系陳柏宇教授團隊挖掘了這種甲蟲外殼如此耐壓的祕密,並可將這些特殊結構應用於建築、航太、機械工程等各領域。

多數人避之唯恐不及的蟑螂雖然惡名昭彰,但至少一腳下去也能送牠上黃泉,然而惡魔鐵鎧甲蟲(Diabolical Ironclad Beetle)絕對比蟑螂還要頑強,這種甲蟲可承受其體重 3.9 萬倍的壓力,踩不扁、捏不碎、大頭針刺下去彎掉的是針、被汽車輾過去像被搔癢,獵食牠的口感像吃到一顆小石頭,堅硬的外殼使牠們幾乎沒有天敵,真遇上危險時甚至還會裝死。

這難道是因為鐵鎧甲蟲的外殼含有什麼特殊成分嗎?然而分析表明惡魔鐵鎧甲蟲的外殼不含鐵或什麼特殊礦物質,和其他昆蟲一樣都是由幾丁質和蛋白質所組成,那為何牠們超級耐壓?

陳柏宇教授團隊便解開了惡魔鐵鎧甲蟲外殼之所以如此堅硬的 2 種關鍵結構。

第一:剛柔並濟的側向支撐帶來優秀變形能力。惡魔鐵鎧甲蟲的骨架並非直挺挺通到底,而是分成前、中、後三段,前段緊密契合保護重要內臟器官,中段簡單互扣可局部變形,後段則能自由滑動可完全變形,當受到外力壓迫時,中後段便可局部或大幅度變形,有助於甲蟲鑽進石縫躲藏或樹皮間隙中覓食。

▲ 惡魔鐵鎧甲蟲超耐壓外殼結構。(Source:清華大學簡報)

第二,翅鞘內部具有高韌性的層狀榫接結構。當這種層狀微結構受力時,層與層間會形成微小裂縫造成體積膨脹,使突起與凹槽扣鎖得更緊密,有別於均質結構在受力時會脆性斷裂(想像一下粉筆),層狀結構能大幅提升韌性。

這項發現或能幫助解決不同材料接合處常因應力集中而較為脆弱的問題,在航太、機械工程、建築等實際應用方面,能改善抗爆裝甲車、救災機器人或發動機渦輪葉片的設計。

▲ 層狀榫接結構。(Source:清華大學簡報)

除了鐵鎧甲蟲,陳柏宇教授過去其實研究過各種生物材料,舉凡貝殼、蟹殼、鹿角、羊角、巨嘴鳥喙、鳥羽、鯊魚/食人魚牙齒、魚鱗、鱷魚/犰狳冑甲、眼鏡蛇蛋殼、烏賊骨板等,論文曾發表於科學(Science)期刊並著有仿生材料教科書。

雖然仿生結構有時會因太過複雜而導致實際製程困難度提高、成本大幅增加進而限制發展,對此陳柏宇表明,應試著去蕪存菁,找到最關鍵且可行的最佳化結構再來談論應用,比如由貝類珍珠層微觀結構啟發,透過機器學習設計具高韌性的複合材料;由楓香果實啟發,設計超輕量、高強度的孔洞材料;由甲蟲外殼啟發,開發耐衝擊並高能量吸收的螺旋梯度結構;或由蜻蜓翅膀啟發,利用基因演算法生成結合輕、強、韌特性的二維材料。

該研究衍生了「整合人工智慧與材料基因技術之仿生輕量化結構材料設計平台」,在收集大量生物材料資料後,可利用 AI 找出有機會互相結合的材料,結合不同結構優點設計出更強韌材料,比如耐撞的鹿角內部結構與耐彎的蝴蝶翅膀結構,可以合併成更輕、更強的仿生結構。

▲ 鹿角結構與蝴蝶翅膀結構結合,形成最右邊的新型強韌結構。

(首圖來源:科技新報)