「物理防御」max！汽車壓不扁的 2 厘米小甲蟲登上 Nature，硬核仿生學靈感來了

本文作者：付靜

2020-10-23 18:05

導語：永遠不要低估昆蟲的能力。

人類對大自然的力量一無所知。

《自然》雜志最新的研究再次印證了這句話——科學家們發現了一種「物理防御」max 的甲蟲，其外骨骼之堅硬，可承受的外力高達其體重的 3.9 萬倍。就算是有輛汽車從身上碾過，它也并不受影響。想要將其做成標本，必須得用電鉆才行。

可以說，讓南方同學心態日常爆炸的小強（能承受約為體重 900 倍的力）在這種名為鐵錠甲蟲（ironclad beetle）的生物面前，可真是小巫見大巫。

被這種奇特的存在深深吸引的科學家們，基于對其外骨骼結構特征、物質組成的分析，模擬了一種金屬復合材料，并制作了一系列性能優異的仿生產品。可以肯定的是，未來這一發現將在航空、建筑和機械領域體現出重要的應用價值。

汽車壓不扁的甲蟲

2020 年 10 月 21 日，相關論文正式發表，題為 Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle（惡魔鐵定甲蟲鞘翅的堅韌結構）。

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這一研究背后的團隊來自美國加州大學河濱分校（材料科學與工程系、化學與環境工程系）、普渡大學萊爾斯土木工程學院、德克薩斯大學圣安東尼奧分校機械工程系、東京農業科技大學全球創新研究所、美國勞倫斯伯克利國家實驗室，以及美國加州大學爾灣分校材料科學與工程系。

在介紹鐵錠甲蟲之前，先來看看照片感受一下。

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emmm 看上去外表像石頭，是個狠角色！

據了解，鐵錠甲蟲主要棲息于北美西海岸的橡樹上，會在木材上鉆孔，平時生活在樹洞里。

曾有試驗證實，鐵錠甲蟲之所以被稱為「惡魔」，是因為它的拿手技能——裝死。

早在 2015 年，論文合著者之一、來自美國加州大學河濱分校材料科學與工程系的 Jesus Rivera 在參觀學校的昆蟲博物館時，第一次接觸到了鐵錠甲蟲。他和團隊開始在校園里四處收集鐵錠甲蟲，帶回實驗室研究。

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上圖展示的是科學家們用兩塊平行的鋼板對鐵錠甲蟲進行擠壓，并不斷加壓所得的數據。科學家們發現，這種長度不過 2 厘米的小甲蟲竟然可以承受高達 149 牛頓的力，相當于 15 公斤的重量，約為其體重的 39000 倍，也是其掠食者咬力的 10 倍。

事實證明，雖然鐵錠甲蟲在極端情況下不能飛離危險地帶，但卻總能輕易抵抗食肉動物的襲擊、徒步者的踩踏，甚至是汽車的碾壓。

鐵錠甲蟲如此強悍，原因在于它有一種特殊結構：鞘翅（elytra）。

所謂鞘翅，就是指昆蟲的外骨骼前翅，我們熟知的金龜子和瓢蟲身上就有這樣的結構。鞘翅質堅而厚、抗擠壓，常會硬化為不透明的角質，并不能用于飛行，主要是起到保護作用。

拼圖式的堅韌結構

過去五年，科學家們帶著這樣一個問題對這種小甲蟲進行了深入探索：

它的鞘翅為什么如此強大？

通常來講，包括人體骨骼、牙齒、貝殼在內的一些天然材料通常都具有特殊的機械技能，其強度、韌性和自愈合能力都是傳統工程材料無法比擬的。而這種優異的性能往往是由于材料具有從分子到宏觀層面的幾個不同尺度的復雜分層結構。

對于節肢動物（包括昆蟲和其他節肢無脊椎動物）來說，其外骨骼主要包括三層——最外層的防水表皮和兩個為機體提供保護和機械支持的內部角質層。在兩個角質層中，多糖的分子與蛋白質結合形成纖維，纖維再組合成扭曲的螺旋狀排列，因此節肢動物的外骨骼有韌性、可以吸收沖擊能量、耐損傷。

不過這似乎還不足以解釋鐵錠甲蟲外骨骼的優異韌性，只能說上述信息為科學家們的研究提供了一種思路。

借助先進的顯微鏡，科學家們通過光譜學和原位機械測試，進行了成分分析和微觀結構表征。

一方面，科學家們發現其鞘翅呈橢球形，由復雜的、有層級的多個界面形成。下圖中綠色字樣的 cross section 是指鐵錠甲蟲的橫截面，黃色字樣 elytra 就是重點觀察對象鞘翅。

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另一方面，鞘翅富含蛋白質，但不含甲殼類動物外骨骼中常有的無機礦物質，而且其外殼相比其他昆蟲的外殼要厚得多。值得一提的是，這有助于其外骨骼吸收能量，但也還是不能完全解釋為何其韌性如此強大。

為此，科學家們采取了一種「微計算機斷層攝影成像技術」，繼續觀察外骨骼界面的顯著特征。

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如上圖，最終科學家們發現了：

鞘翅和腹側角質層（甲蟲最下方外殼）相連接處的三種不同類型（交織型 interdigitated、閉鎖型 latching 和獨立型 free-standing）側向支撐；
兩個鞘翅間有一個堅硬的關節，即縫合線。

由此，作者得出結論，正是堅硬的交織型支撐保護了甲蟲的重要器官免受擠壓，而閉鎖型和獨立型支撐使得外骨骼可以在特定情形下實現變形，因此鐵錠甲蟲可以擠進巖石或樹皮的縫隙中。

小小甲蟲的仿生學啟發

上述特性讓科學家們想到了有類似結構的小強。

曾有科研團隊以小強為靈感，設計了一種可壓縮機器人，這種機器人可以擠進狹小的空間，并在里面移動，因此可在災難發生后被應用于廢墟中的搜尋工作。

那么，像鐵錠甲蟲的鞘翅這樣精巧的結構是不是也能應用于工程領域呢？

沒錯！

科學家們認為：

這一發現可用于發展有韌性、抗沖擊、抗壓的材料。

為此，科學家們利用仿生復合材料制作了一種「連鎖縫合線」（interlocking sutures）。事實證明，與常用的工程接頭相比，這種材料的確有著相當大的韌性。

同時，他們還模仿甲蟲的外骨骼，3D 打印了具有層壓結構的鋸齒形葉片，并將其與兩種缺乏這種結構的葉片進行對比——結果是，受甲蟲啟發的葉片比其他兩種葉片更加堅硬，并且還吸收了更多能量。

對于這一研究，臺灣清華大學材料科學與工程系科研人員 Po-Yu Chen 進行了綜合評價——這項研究主要集中在亞毫米和宏觀尺度上的力學性能，并考慮了鞘翅的微結構，然而對于結構特征在鞘翅較小尺度的影響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習領域的新方法可能會加速對這類層次化結構材料的研究。

無疑，對鐵錠甲蟲長達 5 年的細致研究，帶來了很多仿生學啟發。正如 Po-Yu Chen 所說的那樣：