2021729

    北美甲蟲外殼可承受自身近 4 萬倍重量 皆因「砌圖」微結構

    北美的惡魔鐵甲蟲 (Phloeodes diabolicus) 雖然只似塊燒焦扁石,不似其他同類一樣有艷麗顏色,亦不能飛行。不過,其外骨骼是自然界其中一種最堅硬的材質,能忍受被人類踩踏,甚至被汽車輾過亦安然無事。最新刊於《自然》的研究解開當中秘密,並有望從中研發出新的堅硬材料在人類生活上應用。

    有參與研究的加州大學爾灣分校材料科學家 David Kisailus 形容,惡魔鐵甲蟲是一種陸上甲蟲,有一定重量且速度不快,更似是小坦克。該物種演化出專門的裝甲承受攻擊,直至捕獵者放棄。

    惡魔鐵甲蟲長約 1 厘米,主要棲息地位北美洲西南部的沙漠,並在岩石或樹皮下生活。研究團隊則從加州內陸帝國 (Inland Empire) 地區收集惡魔鐵甲蟲進行研究。

    團隊首先對惡魔鐵甲蟲整個外骨骼進行了鋼板壓力測試,以確定該物種可承受多大的力度,並將結果與來自同一地區的其他有類似防禦特徵的甲蟲物種進行比較。

    相似的甲蟲能最多承受小於 68 牛頓 (Newton) 的力。相比之下,惡魔鐵甲蟲可承受最大 149 牛頓的力,這是其自身重量的 39,000 倍。 1 牛頓等於質量 1,000 克物體速度為每秒 1  米時所需要的力量。

    其後團隊再使用光譜儀、掃描電子顯微鏡和電腦掃描技術,仔細研究惡魔鐵甲蟲的外殻結構。另外,團隊再用 3D 打印技術,摸擬該硬殻結構證明其發現。

    團隊發現整個外骨骼的結構和材質組成都具有一定韌性,而惡魔鐵甲蟲外骨骼由甲殼素 (chitin) 這種蝦、蟹與其他昆蟲也有的甲殻組成,當中含葡萄糖與蛋白質。不過,惡魔鐵甲蟲的甲殼素明顯有更多蛋白質,以重量比例計算比其他生物多約 10% 。

    雖然如此,惡魔鐵甲蟲異常堅硬的關鍵在於翅鞘 (elytra) 。在懂飛行的甲蟲中,翅鞘是堅硬的前翅,用以保護用於飛行的、更精細脈狀後翅。由於惡魔鐵甲蟲不懂飛行,其翅鞘變得更為堅硬,沿著縫合線緊密地鎖在一起如盔甲一樣。

    有參與研究的普渡大學材料科學系教授 Pablo Zavattieri 指,翅鞘的縫合猶如砌圖,將翅鞘下方的腹部連接各個外骨骼塊。

    團隊在惡魔鐵甲蟲外殻上找到的不同互鎖的「砌圖」結構 Credit: Rivera, J. & et al. (2020).

    當團隊近距離觀察這些互鎖結構在壓力下的性能時,他們發現了一些有趣的東西:外骨骼片中的微結構出現平行裂縫,亦即所謂的剝離 (delamination) 。情況由外骨骼塊的一層微毛 (microtrichia) 協助形成,該些毛髮增加了外骨骼塊外層的摩擦力,阻止互鎖的邊緣滑脫,並容許鞘翅更平緩地變形、更均勻地令施加的壓力消散,防止外骨骼突然折斷被殺。

    Kisailus 指,當拆開砌圖塊時,會期望在凹陷的最薄位置分開,但團隊在惡魔鐵甲蟲外殼結構上看不到這種災難性分裂。相反,其各層外骨骼塊剝離,令外殻受損時出現的裂縫更為輕微。

    發現可能協助開發更耐用的材料,以克服工程學上的問題。例如,研發出更安全的飛機引擎,減少使用其他會增加結構應力的零件,以增加整個引擎的耐用性。

    來源:
    Science Alert, This Beetle's Shell Is So Diabolically Tough It Can Be Driven Over. Now We Know How, 21 October 2020

    報告:
    Rivera, J., Hosseini, M.S., Restrepo, D. & et al. (2020). Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle. Nature 586, 543–548. doi: 10.1038/s41586-020-2813-8

    文/Alan Chiu

    編輯推介

      發表意見