它為什么這么硬？鐵甲蟲能扛超近四倍倍自重壓力

都說蟑螂是殺不死的小強，現(xiàn)在，昆蟲界真正頑強的角色出現(xiàn)了，就是下面那只，看上去一副“武裝色霸氣”，又黑又硬的家伙。

形如其名，這是一只惡魔鐵甲蟲，生活在美國西海岸干旱地區(qū)，雖然不會飛，但它以其硬殼著稱，受到外力刺激還會裝死，最長自然壽命可達八年。

它在遭到人類踩踏乃至汽車碾壓后，仍能幸存下來，密實的外殼使它能支撐149牛頓的力，大約等于15千克施壓，食肉動物或者鳥類面對它都無從下嘴，不僅磕牙影響口感，而且吞下去就像生咽了一顆石頭子。

如果換算成一個人類，這只昆蟲的抗壓性相當(dāng)于往一個重200磅的人身上放兩架飛機的重量而不被壓死，在壓力實驗中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，它可以承受大約3.9萬倍于自身體重的壓力。

惡魔鐵甲蟲

僅2厘米長的惡魔鐵甲蟲就像一個六條腿的小坦克，不得不讓科學(xué)家們好奇，到底什么原因讓它如此頑強？

剛?cè)岵难b甲結(jié)構(gòu)

日前，加州大學(xué)爾灣分校材料科學(xué)家大衛(wèi)基薩盧斯（David Kisailus）領(lǐng)導(dǎo)團隊，通過用CT掃描、顯微鏡圖像、三維打印模型和計算機模擬分析鐵甲蟲裝甲，終于揭示了其高強度的秘密，相關(guān)論文發(fā)表在《自然》雜志上。

“我們印象深刻。尤其是了解到這種甲蟲外殼不包含任何特殊礦物質(zhì)，只是有機成分構(gòu)成時?！贝笮l(wèi)基薩盧斯說道。

一輛汽車碾壓了惡魔鐵甲蟲，它毫發(fā)無損

天然材料，例如在骨骼、牙齒和貝殼中發(fā)現(xiàn)的材料，通常具有特殊的機械性能，能以傳統(tǒng)工程材料無法達到的方式將強度、韌性和自愈能力等性能結(jié)合起來。

這些優(yōu)異的性能部分歸因于材料的層次，更重要的是，不同尺度的材料之間的契合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了協(xié)同強韌化機制。因此，許多人都致力于發(fā)展受自然啟發(fā)的層次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

在對惡魔鐵甲蟲的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其外殼角質(zhì)層中，也是由比較常見的多糖α-甲殼素的分子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成纖維，纖維聚集成扭曲的螺旋狀排列，這種扭曲排列的纖維堆積，使角質(zhì)層具有多層微觀結(jié)構(gòu)，形成一定的堅固性和能量吸收。

但甲殼質(zhì)角質(zhì)層的成分性質(zhì)，仍不足以解釋其超級抗壓的特性。

因為科學(xué)家在兩個鋼結(jié)構(gòu)壓力器之間，壓扁了好幾個它的同類，驚奇地發(fā)現(xiàn)惡魔鐵甲蟲最難壓扁，它的身體在149N的最大外力下才發(fā)生斷裂，平均壓力載荷為133±16N，約為其自身體重的3.9萬倍，這大約是潛在捕食者所產(chǎn)生的咬合力的10倍，甚至能頂彎針頭，而它的幾個相似同類，只能承受小于68N的平均峰值。

成年人拇指和食指按在一起產(chǎn)生的力約為43.0±18.4N，我們能輕松地捏死一些甲蟲，除了惡魔鐵甲蟲。

對惡魔鐵甲蟲的測試觀察實驗

鐵甲蟲主要身體部位堅固的接頭和接口

如果這些甲蟲的外殼材質(zhì)差不多，那其他能解釋的原因，便是由材料構(gòu)成的抗壓結(jié)構(gòu)不同了。于是，科學(xué)家對惡魔鐵甲蟲的身體進行了橫切面分析，顯微鏡下，秘密終于揭曉。

在這個昆蟲小坦克體內(nèi)，兩方面關(guān)鍵的微觀特征幫助其承受了強大擠壓力。

第一方面，是其外骨骼的上半部分和下半部分之間的一系列連接，在邊緣上有一些凸脊鎖契合在一起，而且接觸面呈現(xiàn)出三種不同類型的側(cè)向支撐，將腹側(cè)角質(zhì)層連接到鞘翅上：叉指式、閉鎖式和獨立式。叉指關(guān)節(jié)在壓縮下表現(xiàn)最堅硬、最結(jié)實，而閉鎖和獨立式的支撐使外骨骼在壓縮時可以發(fā)生一些形變，緩沖壓力。

第二個關(guān)鍵特征，是其背部剛?cè)岵慕宇^或縫合結(jié)構(gòu)，其沿甲蟲背部中線延伸，連接起左側(cè)和右側(cè)厚實的裝甲。

科學(xué)家將這里的一系列凸起物，稱 為“刀片”，它們可以像拼圖玩具一樣裝配在一起，將兩側(cè)緊密相連。而且這些刀片包含由蛋白質(zhì)粘合在一起的組織層，具有較高的抗損傷性以及自我修復(fù)性。

惡魔鐵甲蟲背部裝甲之間的拼裝結(jié)構(gòu)

當(dāng)用一定的力擠壓甲蟲時，每個“刀片”層之間的蛋白質(zhì)膠中會形成微小的裂紋，但是科學(xué)家表示，那些小的裂紋，類似

一只惡魔鐵甲蟲樣本于可自愈的“骨折”，這些刀片能夠有效吸收沖擊而不會完全折斷，保護體內(nèi)的軟組織。

研究人員認為，上層堅固而具有的交叉狀支撐物的堅固結(jié)構(gòu)，可用于保護甲蟲的重要器官不被壓碎；在上下鏈接部分，柔順的閉鎖式和獨立式的支撐物則允許外骨骼變形，類似于可調(diào)高低的底盤“懸架”一樣，從而使甲蟲能夠擠入巖石或樹皮的縫隙中。

類似的變形適應(yīng)能力，可啟發(fā)設(shè)計一些可伸縮變形的機器人，這種機器人可以擠進狹小的空間并在其中移動，可以用來在災(zāi)后倒塌的建筑物中搜尋幸存者。惡魔鐵甲蟲功能多樣的支撐結(jié)構(gòu)，也可能給裝甲車輛提供新設(shè)計思路。

在宏觀尺度上，外骨骼特殊結(jié)合方式產(chǎn)生了不同的側(cè)向支撐，也形成了保護重要器官的剛性梯度，并在整個身體上均勻分布載荷。甲蟲外殼與材料工程學(xué)

研究人員效仿這種方式，順帶研究了“刀片”的幾何結(jié)構(gòu)在數(shù)量、微觀特征等方面如何影響縫合線的機械性能，他們使用3D打印模型來進行計算模擬和機械測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與其他陸生甲蟲常見的半球形連接結(jié)構(gòu)相比，惡魔鐵甲蟲具備的橢圓形“刀片”縫合結(jié)構(gòu)更堅硬和牢固。

而且，在這項實驗中，由兩個“刀片”組成的3D打印縫合結(jié)構(gòu)，可以兼顧柔性與剛性，而帶有四個“刀片”的縫合線在斷裂前應(yīng)力分布、剛度和峰值載荷似乎最大，因此，縫合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，需要涉及到韌性、剛度和抗斷裂性的多維權(quán)衡。

對于惡魔鐵甲蟲來說，不得不感嘆，小小的身體里，自然進化的結(jié)果是如此偉大，放棄飛行能力的它，讓自身裝甲的進化強于大多數(shù)同類。

由于缺乏逃離升天的能力，這種沙漠昆蟲具有極強的抗沖擊性和抗擠壓性，且兼顧復(fù)雜和靈活的身體結(jié)構(gòu)調(diào)整。

甲蟲結(jié)構(gòu)曾被用于裝甲車設(shè)計

延伸到工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，目前連接塑料和金屬等不同材料仍然是一個挑戰(zhàn)。機械緊固、常規(guī)焊接和粘合是目前比較常用的操作方式，但這些方法中的每一種都有其自身的問題，例如在環(huán)境暴露下形成應(yīng)力集中或退化，進而很快降低強度并導(dǎo)致過早失效。

惡魔鐵甲蟲的身體構(gòu)造會帶來新的啟發(fā)，一些仿生設(shè)計其實已經(jīng)在發(fā)生。

2016年，美國國防承包商BAE Systems宣布了一種新型的可彎曲懸架系統(tǒng)，其靈感來便自于一種甲蟲，它可以使軍用車輛能夠經(jīng)受住地雷爆炸的襲擊。

此外，在飛機的發(fā)動機渦扇結(jié)構(gòu)中，金屬和復(fù)合材料通過機械緊固件連接在一起，這些緊固件不僅增加了重量，也引入了可能導(dǎo)致破裂和腐蝕的應(yīng)力。

基于這項甲蟲研究，研究人員構(gòu)建了一系列具有橢圓幾何和層壓微觀結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料，并將其與標準航空緊固件（例如，用于連接鋁 - 碳復(fù)合結(jié)構(gòu)的Hi-Lok緊固件）進行了比較。

用甲蟲結(jié)構(gòu)經(jīng)驗改進飛機渦扇

對甲蟲的微觀掃描圖

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從惡魔鐵甲蟲身上汲取到的結(jié)構(gòu)“專利”，縫合線的復(fù)合材料葉片比當(dāng)下工程緊固件性能（約18±0.73MPa）略強，約為19±1.08MPa，不過這種直接效仿的復(fù)合材料葉片內(nèi)，層壓微觀結(jié)構(gòu)還是表現(xiàn)出了漸進的失效，所以仍有待優(yōu)化。

所以，在考慮應(yīng)用之前，科研人員仍需對層壓結(jié)構(gòu)和刀片契合進行進一步評估，例如，表征其在壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)下的性能，并發(fā)現(xiàn)它們隨著時間推移是如何變得疲勞的。

下一步仍需通過多尺度建模和實驗來探索，使用人工智能和機器學(xué)習(xí)等方法可能會加快應(yīng)用試驗，讓這些結(jié)構(gòu)方式與目前可用的材料結(jié)合，形成更高的工程機械性能。

自然進化中蘊藏?zé)o限靈感

論文作者之一，大衛(wèi)基薩盧斯在采訪中補充說：“鑒于大自然生物在數(shù)億年的時間里一直在做優(yōu)化和進化實驗，人類擁有足夠的資源為下一代材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供靈感?！薄斑@項研究將生物學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的知識與工程應(yīng)用聯(lián)系起來，這些新發(fā)現(xiàn)通常是我們看不到的?！?/p>

倫敦自然歷史博物館的甲蟲策展人馬克斯巴克萊是一位甲蟲專家。他認為，盡管許多甲蟲都可以逃脫威脅，但這種不會飛的惡魔鐵甲蟲必須靠堅強才能生存。大多數(shù)甲蟲只能活幾周，但惡魔鐵甲蟲卻能活七到八年。

“這種甲蟲和其他甲蟲一樣在地球上生活了上千年，因此它們必須掌握其他短命同類所不具備的特殊方式，來保護自己免受滅頂之災(zāi)。”

人類再一次向大自然拜師學(xué)藝，對于惡魔鐵甲蟲"裝甲套件"的研究成果，可能會激發(fā)新的、更堅固的設(shè)計方案，除了改進裝甲車和飛機，也有望用在未來新一代防彈衣、建筑、橋梁等設(shè)計上。

最后，感謝實驗室里犧牲的惡魔鐵甲蟲們?yōu)槿祟惪萍歼M步所做的貢獻。