(抗挤压的鞘翅和坚硬的外骨骼前庭,保护铁甲甲虫免受刺穿和压碎的攻击)
恶魔般的铁甲甲虫,几乎是坚不可摧的——你可以打它们、踩它们或用汽车碾过它们,但它们仍旧会毫发无损的迅速逃走。
现在,科学家们终于知道了,为什么这些甲虫的鞘翅如此坚固——它们由一系列平滑互锁的拼图部件组成,这种“拼图”设计的几何结构和内部结构,增加了甲虫装甲的强度。
铁甲甲虫长约15至25毫米,常见于北美西部的林地栖息地,它们生活在树皮下。
虽然它们的祖先可以飞行,但铁甲甲虫早已失去了飞行能力,它们的鞘翅融合在一起,形成了一个抗挤压的盾牌。
昆虫学家们对这些屏障的坚固性非常熟悉。
最新研究报告中显示,将铁甲甲虫标本固定用于安装、展示和储存的努力,常常以一种未穿孔的昆虫和一堆弯曲的钢针而告终。
研究人员对甲虫进行了压缩试验,以观察这些防护罩在破裂前能承受多大的力。他们发现,这种“铁”甲虫,可以抵抗高达149牛顿(即15公斤)的持续力。这大约是甲虫体重的3.9万倍,是其他陆生甲虫所能承受的力的两倍多。
拼图连接
铁甲甲虫外骨骼横截面的微观分析显示,侧向支撑结构使鞘翅的接缝处得到了进一步的加固,变得甚至比其他部分更坚硬;同时,更有利于把重量均匀地分布在甲虫的背上,以保护它的器官。
研究人员表示,在这种铁甲甲虫的飞行亲属中,鞘翅槽口以“舌形和凹槽设计”的方式结合在一起,使它们能够顺利地打开、关闭和释放下翼进行飞行。
但是在铁甲甲虫身上,融合在一起的鞘翅,就像拼图游戏中的碎片一样,沿着昆虫腹部的长度组合在一起。这些互锁片的突出部分称为“刀片”,也将应力分布在外骨骼上,防止其开裂。
(一个铁甲甲虫的横截面,显示了它的外骨骼中有几层侧向支撑)
当研究人员用3D打印样本,来测试这些拼图连接的强度时,他们发现有五个“刀片”的缝合线硬度最高,可以承受更重的负荷。
科学家们还检测了“刀片”横截面上的层状微结构,这些微结构进一步转移了最脆弱部分的应力,保护了互锁拼图块的窄“颈”不致断裂——这实际上能够使拼板,更牢固地锁在一起。
揭示出让铁甲甲虫外骨骼几乎无法穿透的生物结构,可以帮助工程师设计出更具抗冲击性的产品。
“我们用仿生复合材料,制作‘联锁缝合线’来证明这一点——与常用的工程接头相比,它的韧性有了显著提高。”
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