欧文，加利福尼亚州，2020年10月21日——在动物王国里，有着一个令人敬畏的名字的恶魔装甲甲虫是一种令人敬畏的昆虫。鸟类、蜥蜴和啮齿动物经常试图以它为食，但很少成功。用汽车辗过它，小动物就活下来了。
甲虫的生存取决于两个关键因素:一是它装死的能力，二是它的外骨骼，这是生物世界中已知的最坚硬、最耐压的结构之一。在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，加州大学欧文分校和其他机构的研究人员揭示了使有机体如此坚不可摧的材料成分——以及他们的纳米和微尺度蓝图，同时也展示了工程师如何从这些设计中获益。
“铁甲是一种陆生甲虫，所以它不轻也不快，但它建造得更像一个小坦克，”首席研究员和通讯作者大卫·基塞卢斯说，他是UCI材料科学和amp教授。工程。“这就是它的适应性:它不能飞走，所以它就呆在那里，让它特别设计的盔甲承受伤害，直到捕食者放弃。”
在美国西南部的沙漠栖息地，人们可以在岩石下和树上找到这种甲虫，它们被挤在树皮和树干之间——这也是它需要耐用外表的另一个原因。
该研究的第一作者Jesus Rivera是Kisailus实验室的一名研究生，他已经获得了博士学位。2015年，他和Kisailus在加州大学河滨分校著名的昆虫博物馆工作时，第一次了解到这些生物。里韦拉在“内陆帝国”校园的各个地点收集了这些甲虫，并将它们带回Kisailus的实验室进行压缩测试，并将测试结果与来自南加州的其他物种进行比较。他们发现这种可怕的铁甲甲虫能够承受大约是其体重3.9万倍的力量。一个200磅重的人必须承受780万磅的毁灭性重量才能完成这一壮举。
通过进行一系列高分辨率显微镜和光谱评估，里韦拉和基塞卢斯了解到这种昆虫的秘密在于其外骨骼的材料组成和结构，特别是它的鞘翅。在飞天甲虫中，鞘翅是前翼的叶片，它的张开和闭合是为了保护飞行翅膀免受细菌、干燥和其他伤害。装甲舰的鞘翅已进化成坚固的保护性盾牌。
Kisailus和Rivera的分析表明，鞘翅鞘由几丁质层、纤维物质和蛋白质基质组成。在与来自东京农业科技大学的Arakaki和他的研究生村田聪(Satoshi Murata)领导的研究小组的合作中，他们检测了一种轻型飞行甲虫外骨骼的化学成分，并将其与地面上的昆虫进行了比较。这种可怕的铁甲甲虫的外层蛋白质含量明显更高——大约比体重多10%——研究人员认为这有助于增强鞘翅鞘的韧性。
内侧缝合线的横截面是这只邪恶的铁甲甲虫鞘翅的两半接合处，它展示了这块拼图的结构，这是这种昆虫令人难以置信的耐久性的关键之一。Jesus Rivera / UCI
研究小组还研究了连接鞘翅鞘两部分的内侧缝线的几何形状，发现它看起来非常像交错在一起的拼图。里韦拉在电子显微镜内安装了一个装置，观察这些连接在压缩状态下的表现，类似于它们在自然界中的反应。他的实验结果显示，鞘翅鞘叶片内部的微观结构通过分层或分层破裂而断裂，而不是折断这些连锁的“颈部”区域。
“当你打破一块拼图的时候，你希望它在颈部分离，最薄的部分，”Kisailus说。“但我们并没有看到这种甲虫发生灾难性的分裂。相反，它会分层，导致更优雅的结构失效。”
里韦拉进一步的显微镜检查发现，这些叶片的外表面有一排被称为微毛藻的棒状元素，科学家们认为它们充当摩擦垫，提供对滑移的阻力。
基塞卢斯派里韦拉去劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源实验室与杜拉·帕金森和哈罗德·巴纳德一起工作，在那里，他们利用超强x射线进行高分辨率实验，以实时查明结构内部的变化。
结果证实，在压缩过程中，缝线-而不是断裂在最薄的点-慢慢分层，没有灾难性的失败。他们还验证了几何形状、材料组成和组装对甲虫的外骨骼如此坚韧和强健至关重要。
为了进一步证实他们的实验观察，Rivera和共同作者Maryam Hosseini和David Restrepo——都来自普渡大学Pablo Zavattieri的实验室——使用3D打印技术创造了他们自己的相同设计结构。他们进行的测试表明，这种布局提供了最大的强度和耐用性。普渡大学团队的模型表明，不仅几何结构能够实现更强的联锁，而且层叠结构提供了更可靠的界面。
基塞卢斯说，他看到了铁甲甲虫的外骨骼和其他生物系统对造福人类的新物质的巨大希望。他的实验室一直在基于这些特性制造先进的纤维增强复合材料，他设想开发新的方法来将飞机部件融合在一起，而不用传统的铆钉和紧固件，它们分别代表了结构中的一个应力点。
他的团队，包括加州大学河滨分校的本科生Drago Vasile，用碳纤维增强塑料模拟了这种可怕的铁甲甲虫的外骨骼的椭圆的、连环的部件。他们将仿生复合材料加入到一个铝接头上，并进行了机械测试，以确定与标准航空航天紧固件相比，在捆绑不同材料方面是否有任何优势。果然，科学家们发现这种受到甲壳虫启发的结构比目前的工程紧固件更坚固。
“这项研究真的将生物学、物理学、力学和材料科学等领域与工程应用联系起来，这在研究中是不常见的。”Kisailus说。“幸运的是，这个由空军赞助的项目，真正使我们能够组建多学科团队，帮助将这些点连接起来，导致这一重大发现。”
该项目得到了美国空军科学研究办公室、美国陆军研究办公室、美国能源部和东京农业技术大学全球创新研究所的支持，还包括来自圣安东尼奥得克萨斯大学的研究人员。
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