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压不死的铁锭甲虫,为什么这么强?

图1 铁锭甲虫,形如其名,看着就很硬。图源:flickr.com
 
打不死的小强(蟑螂)绝非浪得虚名,加州大学伯克利分校曾给小强施加自身体重900倍的力,小强依然可以安然无恙 [1]。
 
其实,小强并非抗压王者。论抗压,小强在铁锭甲虫,真是个弟弟。
 
撰文 | 瞿立建
 
责编|何义均
 
抗 压
 
头图这个丑陋的东西,长得像石头,摸着像石头,硬得像石头,但又不是石头,而是一种甲虫,叫做铁锭甲虫(拉丁名:Phloeodes diabolicus 或 Zopherus nodulosus)面前,生活在美国西南部与墨西哥。
 
铁锭甲虫有多硬?植物学家最有发言权。做铁锭甲虫标本,固定在木板上,用针是不行的,扎不透,得动用电钻。铁锭甲虫靠坚硬的外壳(外骨骼)保护自己,缩进壳里,不怕野兽咬猛禽啄,甚至汽车压过,也安然无恙。
 
最近,来自美国和日本的科学家团队实测了铁锭甲虫的抗压能力 [1]。科学家们将铁锭甲虫放在两钢板之间,如图2所示,慢慢加压,发现加上的力达到自身体重近4万倍(150N,约是超市里售卖的3袋大米的重量)时,才会把铁锭甲虫压垮。
 
计算一下这个压强,铁锭甲虫能扛得住车压针扎。
图2 用钢板挤压铁锭甲虫。图源:参考文献[2]
 
那么,铁锭甲虫为何有如此强的抗压能力?
 
结 构
 
研究人员将铁锭甲虫横向切开,放在显微镜下观察。发现了铁锭甲虫有两个地方与别的甲虫颇不一样。这两个地方在图3中分别用黄色和青色框了起来。
图3 把铁锭甲虫横向切开,在显微镜下观察截面。图源:https://intra.engr.ucr.edu/~david/project_beetle_exoskeletons.html
 
黄色框里是铁锭甲虫两翅膀(称为鞘翅)的结合部(即甲虫背部中央两鞘翅相接的那条线)。青色框里是腹部侧面对鞘翅的支撑部。
 
先看两鞘翅的结合部,如图4所示,发现两鞘翅都长着椭圆形的 “锯齿”,形如沙和尚或鲁智深的兵器方便铲。两鞘翅的椭圆形 “锯齿” 交错排列,并沿着甲虫背部纵向贯通,将两鞘翅 “缝合” 在一起。鞘翅紧密嵌合,使铁锭甲虫虽有翅膀却不能张飞。
图4 铁锭甲虫两鞘翅结合部 图源:https://intra.engr.ucr.edu/~david/project_beetle_exoskeletons.html
方便铲 图源:flickr.com
图3中腹部侧面对鞘翅的支撑部如图5所示。图5 铁锭甲虫腹部侧面对鞘翅的支撑部 图源: https://intra.engr.ucr.edu/~david/project_beetle_exoskeletons.html
 
这个部位的结构还可以做更细致的观察。如图6所示,铁锭甲虫用3种颜色划分了4个区域,各颜色所对应身体部位处,腹部侧面对鞘翅的支撑部的结构有所不同。图6b展示了腹部侧面与鞘翅可以有三种关系,依次是交叉锁死(青色)、滑动顶住(紫色)、自由滑动(绿色)。
图6 铁锭甲虫不同部位处腹部侧面对鞘翅的支撑部 图源:参考文献[2]
 
那么,这些有意思的结构是不是就是铁锭甲虫超级抗压的秘密?
 
性 质
图7 铁锭甲虫腹部侧面对鞘翅的支撑部的不同结构对外加压力的响应也不同 图源:参考文献[2]
 
研究人员对铁锭甲虫加压之后,测量了腹部侧面对鞘翅的支撑部的三种结构对压力的反应。如图6,当青色部位处面对压力时只能硬抗,因为这里鞘翅与身体是锁死在一起的,只能硬抗。但是后面的紫色和绿色部位处,鞘翅通过移动能将压力消解,比如改变鞘翅形态,具体细节研究人员还不太清楚。
 
总之,铁锭甲虫兼备少林硬功和武当太极的功力,泰山压顶之下,保护内脏安然无恙。
 
现在,我们翻回头看看铁锭甲虫的鞘翅(图4),两鞘翅嵌合在一起究竟有什么好处呢?
 
铁锭甲虫受到的压力,不大可能总是完美的正压力,不可避免在水平方向有分力。如果鞘翅不嵌合在一起,一旦受力翅膀就会错开,因而两鞘翅嵌合在一起更能抵御水平方向的力。
 
为了研究椭圆 “锯齿” 的功能,研究人员用3D打印技术制作了与铁锭甲虫鞘翅类似的结构。3D打印材料实验结果表明,结合部有2个椭圆“锯齿”的话,材料韧性最好,能更好地消解水平方向的力,锯齿更多的话,材料刚性更强,更能硬抗外力。
 
根据我们的生活经验,鞘翅应该容易从椭圆 “锯齿” 的 “脖子” 处断掉,铁锭甲虫怎么又韧又刚不易断?
 
这要在鞘翅的微观结构上找原因。如图8所示,组成鞘翅的纤维分层排列,受到拉伸后,层与层之间间距增大,将力分散开。即便被拉断,鞘翅也会在某一层处断开,不会在 “锯齿” 的 “脖子” 处断开。
图8 鞘翅微观结构。图a为自然状态下的鞘翅,青色区域用电子显微镜观察,观察到的图像是图b中上图。图c为受到拉伸的鞘翅,绿色区域用电子显微镜观察,观察到的图像是图b中下图。图d为鞘翅被拉断的情形。图源:参考文献[2]实验还证实,与鞘翅内部分层结构相配合,两鞘翅以椭圆锯齿相嵌合,这样结合在一起最结实。
 
我们不知道,铁锭甲虫在几百万年的演化生涯里发生了什么,长出如此抗压的外壳,但现在我们却能搞清楚,它为什么这么硬,极大满足了我们的好奇心。
 
科学一大好处在于,不仅满足好奇心,还能带来有用的技术。
 
仿 生
 
向自然学习,找到技术问题的解决方案,这就是仿生学的思考方式。
 
铁锭甲虫在仿生学上很有意义,启发科学家找到一种新的将两种材料紧固在一起的方式。
 
研究人员用涡轮叶片做了实验,发现仿铁锭甲虫结构要比传统的螺栓效果好得多。
图9 仿铁锭甲虫鞘翅结构的涡轮叶片 图源:参考文献[2]
 
各种机械里,不同材料或零件紧固在一起的现象极其常见,这方面有所改进,意义重大。比如飞机零件总数的60%为连接件,且连接件的性能已成为决定飞行器可靠性和性能质量比的主要因素之一。[3]
 
仿铁锭甲虫结构紧固材料与部件还能降低机械总重量,这对航空航天意义重大。如卫星每减1kg结构质量,可使火箭和推进剂减轻500千克。对于商用飞机、战斗机和卫星或空间站等飞行器, 每减少500克的结构重量,能带来的经济效益分别约为300、3000和30000美元。[4]
 
对铁锭甲虫进一步细致研究,还会带来更多仿生学上的启发,比如开发性能更好的头盔、防弹衣、装甲等。[5]
 
最后,让我们一起致敬铁锭甲虫。铁锭甲虫这一独特的存在,使得人类在科技上有更多的奇思妙想和脑洞。谢谢你们!
 
参考文献
 
[1] Jayaram, Kaushik, and Robert J. Full. "Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot." Proceedings of the National Academy of Sciences 113.8 (2016): E950-E957. Web. 22 Oct. 2020.
 
[2] Rivera, J., Hosseini, M.S., Restrepo, D. et al. Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle. Nature 586, 543–548 (2020).
 
[3] 张福兴. 光电对抗与无源干扰, 2002, 3: 38—40
 
[4] 戴振东, 张亚锋, 梁醒财,孙久荣. 中国科学 C 辑:生命科学 2008 年 第38 卷 第6 期: 542 ~ 549
 
[5] https://www.universityofcalifornia.edu/news/uc-riverside-grad-students-explain-why-their-research-matters
 
[6]https://intra.engr.ucr.edu/~david/project_beetle_exoskeletons.html



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