神奇的惡魔鐵甲蟲

侯家林

春秋時(shí)期，魯班發(fā)現(xiàn)一種草的葉邊緣有許多又尖又快的細(xì)齒，因而發(fā)明了鋸子;根據(jù)蚊子吸血的原理，我們發(fā)明了注射器;根據(jù)鯊魚皮的原理，我們發(fā)明了新的游泳衣……自然界的一切，總是能給我們提供無(wú)窮的智慧和想象。

這不，又一個(gè)昆蟲界的“狠角色”出現(xiàn)了，就是下面這只又黑又硬的家伙。以前經(jīng)常聽(tīng)人放狠話說(shuō)：“我捏死你，可以像捏死一只蟲子一樣簡(jiǎn)單！”惡魔鐵甲蟲表示不服，你捏捏試試？

惡魔鐵甲蟲就像一塊兒堅(jiān)硬的石頭，就算是世界上最強(qiáng)壯的人，用拇指和食指盡力擠壓這只甲殼蟲，也不能把它怎么樣。因?yàn)槿耸诌@兩根指頭的擠壓力不超過(guò)40牛頓，而惡魔鐵甲蟲能承受約150牛頓的擠壓力。

惡魔鐵甲蟲生活在美國(guó)西海岸干旱地區(qū)，不會(huì)飛，以硬殼著稱，受到外力刺激時(shí)會(huì)裝“死”，最長(zhǎng)自然壽命可達(dá)8年，和那些不可語(yǔ)冰的夏蟲，絕不可同日而語(yǔ)。

為了解開(kāi)“惡魔鐵甲蟲為什么會(huì)如此堅(jiān)硬”這個(gè)謎團(tuán)，加州大學(xué)爾灣分校材料科學(xué)家大衛(wèi)·基薩盧斯領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)顯微鏡、光譜學(xué)和原位機(jī)械測(cè)試等多種手段，對(duì)惡魔鐵甲蟲的超級(jí)殼進(jìn)行了研究，果然發(fā)現(xiàn)了它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。在這種昆蟲小坦克一般的體內(nèi)，兩方面關(guān)鍵的微觀特征幫助其承受了強(qiáng)大的擠壓力。

第一方面，是惡魔鐵甲蟲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(dú)立式。叉指關(guān)節(jié)在壓縮下表現(xiàn)最堅(jiān)硬、最結(jié)實(shí)，而閉鎖式和獨(dú)立式的支撐使外骨骼在壓縮時(shí)可以發(fā)生一些形變，緩沖壓力。

第二方面，是惡魔鐵甲蟲背部剛?cè)岵?jì)的接頭或縫合結(jié)構(gòu)，其沿惡魔鐵甲蟲背部中線延伸，連接起左側(cè)和右側(cè)厚實(shí)的裝甲。

科學(xué)家將惡魔鐵甲蟲這一系列凸起物稱為“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)黏合在一起的組織層，具有較高的抗損傷性和自我修復(fù)性。當(dāng)用一定的力擠壓惡魔鐵甲蟲時(shí)，每個(gè)刀片層之間的蛋白質(zhì)膠中會(huì)形成微小的裂紋，但是科學(xué)家表示，那些小的裂紋類似于可自愈的骨折，這些刀片能夠有效吸收沖擊而不會(huì)完全折斷，保護(hù)惡魔鐵甲蟲體內(nèi)的軟組織。研究人員認(rèn)為，上層堅(jiān)固而具有交叉狀支撐物的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，可用于保護(hù)惡魔鐵甲蟲的重要器官不被壓碎;在上下連接部分，柔順的閉鎖式和獨(dú)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，從而使惡魔鐵甲蟲能夠擠入巖石或樹(shù)皮的縫隙中。

這種類似的變形適應(yīng)能力，啟發(fā)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一些可伸縮變形的機(jī)器人，這種機(jī)器人可以擠進(jìn)狹小的空間，并在其中移動(dòng)，它可以用于在災(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的設(shè)計(jì)思路。人們不得不感嘆，自然進(jìn)化的結(jié)果是如此偉大，放棄飛行能力的惡魔鐵甲蟲，讓自身裝甲的進(jìn)化強(qiáng)于大多數(shù)同類。

大衛(wèi)·基薩盧斯補(bǔ)充說(shuō)：“鑒于大自然生物在數(shù)億年的時(shí)間里一直在做優(yōu)化和進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，人類擁有足夠的資源為下一代材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供靈感?！比祟愒僖淮蜗虼笞匀话輲煂W(xué)藝，對(duì)惡魔鐵甲蟲“裝甲套件”的研究成果，可能會(huì)激發(fā)新的、更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)方案，有望用在未來(lái)新一代防彈衣、建筑、橋梁等的設(shè)計(jì)上。

（王世全摘自《知識(shí)窗》2021年第11期）