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神奇的恶魔铁甲虫

2021-11-26侯家林

知识窗 2021年11期
关键词:外骨骼刀片甲虫

侯家林

春秋时期,鲁班发现草叶的边缘有许多又尖又快的细齿,因而发明了锯子;根据蚊子原理,我们发明了注射器;根据鲨鱼皮的原理,我们发明了新的游泳衣……自然界的一切,总是能给我们提供无穷的智慧和想象。

这不,又一个昆虫界的“狠角色”出现了,就是下面这只又黑又硬的家伙。以前经常听人放狠话说:“我捏死你,可以像捏死一只虫子一样简单!”恶魔铁甲虫表示不服,你捏捏试试?

恶魔铁甲虫就像一块坚硬的石头,就算是世界上最强壮的人,用拇指和食指尽力挤压这只甲壳虫,也不能把它怎么样。因为人手这两根指头的挤压力不超过40牛顿,而恶魔铁甲虫能承受约160牛顿的挤压力。

恶魔铁甲虫生活在美国西海岸干旱地区,不会飞,以硬壳著称,受到外力刺激时会装“死”,最长自然寿命可达八年,和那些不可语冰的夏虫,绝不可同日而语。

为了解開“恶魔铁甲虫为什么会如此坚硬”这个谜团,加州大学尔湾分校材料科学家大卫·基萨卢斯领导团队使用了先进显微镜、光谱学和原位机械测试等多种手段,对恶魔铁甲虫的超级壳进行了研究,果然发现了它独特的结构。在这种昆虫小坦克一般的体内,两方面关键的微观特征帮助其承受了强大的挤压力。

第一方面,是恶魔铁甲虫外骨骼的上半部分和下半部分之间的一系列连接,在边缘上有一些凸脊锁契合在一起,而且接触面呈现出三种不同类型的侧向支撑,将腹侧角质层连接到鞘翅上:叉指式、闭锁式和独立式。叉指关节在压缩下表现最坚硬、最结实,而闭锁式和独立式的支撑使外骨骼在压缩时可以发生一些形变,缓冲压力。

第二方面,是恶魔铁甲虫背部刚柔并济的接头或缝合结构,其沿恶魔铁甲虫背部中线延伸,连接起左侧和右侧厚实的装甲。

科学家将恶魔铁甲虫这一系列凸起物称为“刀片”,它们可以像拼图玩具一样装配在一起,将两侧紧密相连。而且,这些刀片包含由蛋白质黏合在一起的组织层,具有较高的抗损伤性和自我修复性。当用一定的力挤压恶魔铁甲虫时,每个刀片层之间的蛋白质胶中会形成微小的裂纹,但是科学家表示,那些小的裂纹类似于可自愈的骨折,这些刀片能够有效吸收冲击而不会完全折断,保护恶魔铁甲虫体内的软组织。研究人员认为,上层坚固而具有的交叉状支撑物的坚固结构,可用于保护恶魔铁甲虫的重要器官不被压碎;在上下链接部分,柔顺的闭锁式和独立式的支撑物则允许外骨骼变形,类似于可调高低的底盘悬架一样,从而使恶魔铁甲虫能够挤入岩石或树皮的缝隙中。

这种类似的变形适应能力,启发科学家设计了一些可伸缩变形的机器人,这种机器人可以挤进狭小的空间,并在其中移动,它可以用于在灾后倒塌的建筑物中搜寻幸存者。恶魔铁甲虫功能多样的支撑结构,也可能给装甲车辆提供新的设计思路。人们不得不感叹,自然进化的结果是如此伟大,放弃飞行能力的恶魔铁甲虫,让自身装甲的进化强于大多数同类。

大卫·基萨卢斯补充说:“鉴于大自然生物在数亿年的时间里一直在做优化和进化实验,人类拥有足够的资源为下一代材料和结构设计提供灵感。”人类再一次向大自然拜师学艺,对恶魔铁甲虫“装甲套件”的研究成果,可能会激发新的、更坚固的设计方案,有望用在未来新一代防弹衣、建筑、桥梁等设计上。

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