Nature：硬！这只“压不死”的虫子，为未来航空航天材料设计提供了新灵感

2020 年 10 月 22 日 学术头条

天然材料，比如存在于骨骼、牙齿和贝壳中的材料，通常具有传统工程材料无法比拟的特殊机械性能，比如强度、韧性和自愈合能力等特性。一直以来，科学家们希望可以从自然界中汲取灵感，研发出具有天然材料特性、可应用于实际生活中的结构复合材料。

但是，将异种材料（比如塑料和金属）结合到工程结构中仍然是一个很大的挑战 ，当前的主要方法是通过机械固定、传统焊接、粘接等方法来实现，但存在应力变形、暴露降解、韧性降低等问题。

如今，来自加州大学河滨分校（University of California，Riverside）的研究人员及其合作者的一项最新研究，或将推动受自然生物启发的复合材料研究与应用的整体发展。

而这一研究的最初灵感，竟是来自一只奇特的虫子——铁定甲虫（Phloeodes diabolicus）。

相关工作以“Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle”为题，于 10 月 21 日在顶级科学期刊《自然》（Nature）上在线发表。

（来源：Nature）

研究人员利用先进的显微镜、光谱技术和机械测试，在铁定甲虫的鞘翅（elytra）中央观察到了一连串形似拼图的联锁关节，这些关节的几何结构以及它们的层状微结构让铁定甲虫的外骨骼具备了极其出色的机械联锁和坚韧性，这就解释了为什么铁定甲虫的外骨骼如此坚硬。

为了测试这种几何结构作为强硬机械紧固件连接不同材料（如塑料和金属）的潜力，研究人员利用模拟铁定甲虫鞘翅特殊结构的金属复合材料制作了一系列接头，与常用的工程接头相比，基于这种特殊结构而设计的接头具有更大的强度和更好的韧性。

这一相关研究成果或将在航空航天等建筑和工程领域内具有重大的应用潜力和价值。

像拼图一样的支撑结构

铁定甲虫是一种陆生甲虫，身长约 2 厘米，像一个小型坦克，长得既不轻巧，爬得也不是很快，它善于装死，具有十分坚硬的外骨骼，可以承受大约 3.9 万倍其体重的重量（相当于一个 100 斤重的人承受 390 万斤物体的重量），比潜在捕食者产生的咬合力高出 10 倍，让它们难以下口，即使被汽车碾过都可以“毫发无损”。

“它不能飞行，所以它只是呆在那里，借助特别设计的盔甲承受伤害，直到捕食者放弃。” 论文作者之一 David Kisailus 说。

图｜铁定甲虫（来源：Nature）

2015 年，论文作者之一 Jesus Rivera 在参观加州大学河滨分校昆虫博物馆时，第一次看到了这种丑陋又奇特的生物，他在校园的各个地点收集铁定甲虫，并将它们带回了 Kisailus 当时的实验室进行压缩测试，测试结果显示，铁定甲虫可以承受最大为 149 牛顿的力（约为其体重的 3.9 万倍）。

在此次研究中，Kisailus、Rivera 等人通过一系列高分辨率显微镜和光谱评估测试发现，铁定甲虫外骨骼“坚硬无比”的秘密在于其组成材料和特殊结构，尤其是它的鞘翅（对于可飞行的甲虫，鞘翅可以通过张开和闭合保护翅膀免受细菌、干燥和其他伤害，而铁定甲虫的鞘翅已进化成坚固的保护性盔甲）。

在与东京农工大学（Tokyo University of Agriculture and Technology）团队的合作中，研究人员对一种飞行甲虫外骨骼的化学成分进行了检测，并将其与铁定甲虫比较。测试结果显示，铁定甲虫的鞘翅由几丁质（又名“甲壳素”，是一种含氮的多糖类物质）、纤维物质和蛋白质基质组成，不含无机矿物质，且其外骨骼比其他昆虫厚得多。与飞行甲虫相比，铁定甲虫外骨骼的蛋白质含量明显更高（多于体重的 10%），而蛋白质含量的增加有助于增强铁定甲虫鞘翅的韧性。

同时，研究团队还对连接铁定甲虫两部分鞘翅内侧缝（medial suture）的几何形状（看起来非常像拼图游戏的连锁部分）进行了“解剖”。Rivera 在电子显微镜内安装了一个装置，观察这种连接结构在压缩状态下的实际表现。在压缩过程中，铁定甲虫的鞘翅内侧缝慢慢分层，但在类似“拼图”的部位没有出现断裂或破碎。

“当你试图打破一块拼图时，你希望它在最薄的部分断开，” Kisailus 说，“但我们并没有在铁定甲虫身上看到这种情况发生。” Kisailus 说。

图｜甲虫的力学特性和结构特征（来源：Nature）

他们用碳纤维增强塑料模拟了铁定甲虫外骨骼上的椭圆形连接部件，通过将仿生复合材料加到一个铝接头上并进行机械测试，来确定与标准航空航天紧固件相比，这种结构在结合不同材料方面是否存在任何优势。令人可喜的是，结果是肯定的。当前，他们试图在大自然中发现一种新物质并借助一种新方法将飞机的各个部件融合在一起，舍弃传统的铆钉和紧固件，因为这些零部件所在的位置往往是应力薄弱点。

一直以来，Kisailus 的实验室始终基于生物特性制造先进的纤维增强复合材料，他认为人类有望在铁定甲虫的外骨骼或者其他生物系统中找到造福人类的新物质。

“这项研究真正将生物学、物理学、力学和材料科学等领域与工程应用联系起来，这在此前的研究中是不常见的，幸运的是，我们得到了美国空军的支持，成功组建了这样一个多学科团队。” Kisailus 说。

这只虫子，并非只会抗压

Rivera 等人在进一步的显微镜观察中发现， 铁定甲虫的外骨骼具有三种不同的侧向支撑类型，根据界面的几何形状，可以分为交织型（interdigitated）、闭锁型（latching）和独立型（free-standing） 。

图｜铁定甲虫的关节和支撑结构（来源：Nature）

为了进一步证实他们的实验观察，研究人员使用 3D 打印技术设计出了与铁定甲虫相同的结构，实验测试结果表明，交织型结构可以提供最大的强度和耐用性。这一部分的外表面有一排被称为微刺（microtrichia）的棒状物，它们可以充当摩擦垫，提供针对滑移的阻力。

三种不同的侧向支撑类型，使得铁定甲虫既能抗压，也能“变形”。交织型结构可以为铁定甲虫的外骨骼提供最大的强度和耐用性；而闭锁型和独立型结构则可以使铁定甲虫的外骨骼实现“变形”，由于这种特性，甲虫可以挤进岩石或树皮的缝隙中，就像蟑螂一样，这激发了一种可压缩机器人（可以挤进狭小的空间并在里面移动，用于在灾难发生后搜寻倒塌建筑物中的幸存者）或装甲车的设计灵感。

陈柏宇（Po-Yu Chen）研究者对这一研究评价道， “这一发现为制造坚固可靠的工程接头提供了新的方法”“他们将先进的表征方法与机械测试、模拟和 3D 打印结合，为研究其他具有复杂结构的自然材料提供了模板”。

但他同时也认为，Kisailus、Rivera 等人的研究工作还需要做进一步的评估，比如这种结构在压缩、弯曲和扭转状态下的特性，以及随着时间推移材料抗疲劳性的变化，而且他们的工作主要集中在研究亚毫米和宏观尺度上的力学性能，但在鞘翅较低层次（较小尺度）结构特征的影响，还需要通过多尺度建模和实验来探索，“使用人工智能和机器学习的新方法可能会加速基于铁定甲虫鞘翅的层级结构材料的搜索。”

人类源自自然，面对大自然的鬼斧神工与生物进化演进规律，人类需要保持敬畏和谦卑。未来，随着科技的不断发展以及我们对于人类之外世界认知程度的持续加深，我们将在向自然生物学习的过程中，实现更好的自然生态。

参考：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2813-8

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02840-1