獨(dú)角仙生物學(xué)特性、鞘翅微觀結(jié)構(gòu)及在仿生領(lǐng)域的應(yīng)用

胡濟(jì)舟，李文堯

（1.上海星河灣雙語學(xué)校，上海 201108；2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

獨(dú)角仙由卵長成幼蟲，幼蟲發(fā)展為一齡、二齡和三齡幼蟲，三齡幼蟲生長發(fā)育并蛻化成蛹，最后再從蛹中羽化為成蟲[1]。在經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化之后，獨(dú)角仙演化出了各具特色的種群，有些種群的甲殼有著高強(qiáng)度和斷裂韌性、高抗擠壓和抗剝離能力，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的輕型生物復(fù)合材料，這樣優(yōu)異的力學(xué)性能來自獨(dú)角仙獨(dú)特的鞘翅微觀結(jié)構(gòu)。由于翅鞘的優(yōu)良的機(jī)械性能，如高強(qiáng)度和韌性、各向異性和自我修復(fù)的能力，激勵著科研工作者研究其微觀結(jié)構(gòu)以及在多個高端領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。本文簡單描述了獨(dú)角仙的生物學(xué)特性、鞘翅微觀結(jié)構(gòu)及其性能，并總結(jié)了其在仿生領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 生物學(xué)特性

獨(dú)角仙成蟲一般體型較大，且雄雌異性（如圖1所示）。在野生自然環(huán)境下，獨(dú)角仙成蟲在初夏開始出現(xiàn)，最多見于6～7 月，到9 月則大部分都會死亡。成蟲白天多在落葉堆、土壤內(nèi)或者腐質(zhì)地等陰暗潮濕環(huán)境休息，具有趨光性和喜濕性。

獨(dú)角仙成蟲交配后，雌蟲會在1～2 周后產(chǎn)出乳白色或淡黃色圓形或橢圓形蟲卵（圖1a）。直徑約為3mm～ 5mm，重量不到1g。蟲卵在1～2 周后孵化為一齡幼蟲（圖1b，中間體型較小者），重量通常為1g～3g，身體直徑約5mm，頭顎寬約3mm～5mm。一齡幼蟲一個月內(nèi)蛻皮為二齡幼蟲（圖1b，周圍3 只較大者），重量通常為5g～12g，身體直徑約7mm～12mm，頭顎寬為5mm～10mm。二齡幼蟲再次蛻皮為三齡幼蟲（圖1c），通體為乳白色，后期會呈黃白色，頭顎的顏色也變成黑褐色。在飼養(yǎng)條件大致相同的情況下，三齡階段可以通過重量區(qū)分雌雄，雌蟲通常10g～20g，雄蟲通常20g～35g。三齡幼蟲身體直徑長至2cm～3cm，頭顎寬度增加明顯，可達(dá)10mm 左右。

三齡幼蟲在5～6 個月后開始化蛹，雄蟲頭部長出長為1.5cm～3.0cm 且對稱的叉角，雌蟲則沒有?；家粋€月左右后，獨(dú)角仙羽化變成成蟲（圖1d）。羽化過程持續(xù)12～24 小時，剛羽化的成蟲身體潮濕，鞘翅為白色且柔軟。羽化完成后，成蟲會在蛹室中進(jìn)行為期10～12 天的蟄伏。蟄伏期中，成蟲靜待鞘翅干燥變硬，且呈黑色有光澤。雄成蟲體長約5cm～8cm，特征標(biāo)志是有一對長約1.5cm～3.0cm、可活動的對稱四分叉角突和一對較短不可活動的雙分叉胸角（圖1e）。雌成蟲體長約3cm～6cm，無角突或胸角（圖1f）。成蟲的壽命通常在2 個月左右。

圖1 獨(dú)角仙成長階段

2 鞘翅微觀結(jié)構(gòu)及其性能

獨(dú)角仙甲蟲的翅膀由前翅（也被稱為鞘翅）和后翅組成。鞘翅是比較堅(jiān)硬的，甲蟲的功能翅膀是后翅，可以飛行。鞘翅是由交叉鋪層結(jié)構(gòu)和中間的螺旋纏繞纖維柱構(gòu)成。這種交叉鋪層結(jié)構(gòu)實(shí)際上主要是由幾丁質(zhì)纖維和蛋白質(zhì)組成，幾丁質(zhì)纖維層以螺旋方式延伸到小梁軸中間的纖維柱形成芯層結(jié)構(gòu)，不僅能起到減重的作用，還大大加強(qiáng)了鞘翅整體的抗沖擊性能，進(jìn)而提升鞘翅的斷裂韌性。東南大學(xué)陳錦祥團(tuán)隊(duì)[3]以獨(dú)角仙和鍬形蟲為實(shí)驗(yàn)對象，系統(tǒng)研究了甲蟲鞘翅的縱向剖面和橫向剖面，通過分析鞘翅斷面凹凸對接結(jié)構(gòu)和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表明甲蟲鞘翅具有抗彎曲和抗扭曲的力學(xué)性能。

3 仿生應(yīng)用

由前文對于獨(dú)角仙甲蟲鞘翅微觀結(jié)構(gòu)及其性能的研究可以看出，其獨(dú)特的鞘翅結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)和高強(qiáng)度的特質(zhì)，是一種優(yōu)異的輕質(zhì)復(fù)合材料。此外，基于鞘翅中幾丁質(zhì)纖維層和小梁柱之間的空腔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以仿照甲蟲鞘翅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有空腔的材料，在空腔內(nèi)填充一些多功能材料，比如吸能、隔熱等材料。因此，獨(dú)角仙獨(dú)特的鞘翅微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能可為設(shè)計(jì)一種新型輕質(zhì)的仿生材料提供良好的思路，也為其在仿生領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

3.1 熱防護(hù)系統(tǒng)

高超聲速飛行器在飛行過程中不僅會受到氣動熱的影響，還會受到氣動載荷的影響。因此，飛行器需要一個熱保護(hù)系統(tǒng)能夠承受氣動熱和氣動載荷，以減少結(jié)構(gòu)損傷，特別是在前緣和前錐處。獨(dú)角仙鞘翅由于獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)賦予的優(yōu)異性能，因而成為熱保護(hù)系統(tǒng)熱阻特性的有力候選材料。韓國建國大學(xué)Le 等人[4]首先觀察了甲蟲鞘翅的微觀結(jié)構(gòu)，分別對切翅和活翅模型進(jìn)行了傳熱實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，獨(dú)角仙甲蟲鞘翅的傳熱特性為設(shè)計(jì)熱防護(hù)系統(tǒng)提供了科學(xué)依據(jù)，了解獨(dú)角仙的鞘翅結(jié)構(gòu)有利于設(shè)計(jì)飛行器有效的熱防護(hù)系統(tǒng)。

3.2 仿生建筑材料

獨(dú)角仙的鞘翅結(jié)構(gòu)經(jīng)過漫長的進(jìn)化過程，已成為具有特殊生物功能的優(yōu)良生物結(jié)構(gòu)。蜂窩板是一種常見的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、建筑以及公共交通等領(lǐng)域，在地震、洪水等自然災(zāi)害應(yīng)急工程中也發(fā)揮了重要作用，如應(yīng)急橋梁建設(shè)、災(zāi)民和軍隊(duì)臨時建筑等。東南大學(xué)陳錦祥團(tuán)隊(duì)[5]對基于甲蟲鞘翅結(jié)構(gòu)研發(fā)的仿生蜂窩板進(jìn)行了長期深入的研究，雖然在制備過程中尚存在纖維含量低、成型時間長、無法準(zhǔn)確仿制精確的鞘翅微觀結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)，但依舊為鞘翅仿生結(jié)構(gòu)的制備提供了一個嶄新的方向和平臺。

3.3 微型撲翼飛行器

近年來，小型自主或遙控飛行器（簡稱微型飛行器）在工程界引起了廣泛關(guān)注，大量應(yīng)用于危險環(huán)境探測、偵察和搜救。然而飛行器在升力產(chǎn)生和飛行控制方面遇到了巨大的挑戰(zhàn)，因此，需要設(shè)計(jì)合理的仿生機(jī)翼來產(chǎn)生足夠的升力和較高的飛行性能。獨(dú)角仙擁有堅(jiān)硬的前翅（鞘翅）和可折疊的后翅，而且鞘翅的旋轉(zhuǎn)角度和鎖翼系統(tǒng)是提高甲蟲飛行能力的重要特征，這些都引起了科技工作者對其機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)和飛行運(yùn)動學(xué)的研究興趣。韓國建國大學(xué)Phan 團(tuán)隊(duì)[6]受獨(dú)角仙展翅的啟發(fā)，展示了如何使一個具有懸停功能的撲翼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)翼折疊（如圖2 所示），使撲翼機(jī)器人在碰撞后安全飛行。可折疊機(jī)翼為解決機(jī)翼碰撞問題提供了一種有效的方法，有助于提高機(jī)器人的辦事效率和安全性。

圖2 撲翼機(jī)器人折疊機(jī)翼的實(shí)現(xiàn)

4 總結(jié)

1.自然條件下，獨(dú)角仙從卵孵化經(jīng)歷一齡、二齡和三齡幼蟲，再成長為成蟲，約需7 個月時間；成蟲為雌雄異型，具有堅(jiān)硬的甲殼，有趨光性和喜濕性的特征[7]。

2.獨(dú)角仙鞘翅顯示了夾心板結(jié)構(gòu)和中間有空隙層和小梁的框架結(jié)構(gòu)，是具有拱形空腔的中空輕質(zhì)生物復(fù)合材料，小梁中的幾丁質(zhì)纖維層之間的曲線狀連續(xù)連接形成層合板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

3.獨(dú)角仙鞘翅生物復(fù)合材料有著優(yōu)異的抗剝離結(jié)構(gòu)和抗壓、抗彎等力學(xué)性能，是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其在仿生領(lǐng)域的研究有著極高的價值和意義，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。