从恶魔铁甲虫身上学到的经验
1392字
2021-02-17 13:38
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火星译客

“恶魔铁甲虫”有着令人印象深刻的坚硬外骨骼,这让它能够在捕食者的攻击、被徒步旅行者踩到甚至被汽车碾过的情况下存活下来。在543页,Rivera等人揭示了这种甲虫抗压能力的秘密。

利用先进的显微镜、机械测试和计算机模拟,作者发现甲虫分层的、像拼图一样的接头和各种支撑结构连接外骨骼的不同部分,这说明其韧性。

天然材料,例如骨骼、牙齿和贝壳中发现的材料,通常具有非凡的机械性能,结合了强度、韧性和自愈能力等特性,而这些特性在传统工程材料中无法实现。这些优越的性能部分是由于材料的层次结构:这些成分是由几个不同大小尺度的重复结构或图案组合而成的,范围从分子尺度到宏观尺度。更重要的是,不同尺度的构件之间的界面导致协同强化和增韧机制。因此,受自然启发,许多人致力于开发层次结构的复合材料。

其中一个灵感来源于节肢动物类群的外骨骼,包括昆虫和其他有关节的无脊椎动物。节肢动物的外骨骼是一种多功能盔甲,主要由三层组成:最外层的防水表皮,潜在的外角质层以及最内层的内膜,这两个内部角质层为生物提供保护和机械支持。

在角质层中,多糖α-几丁质分子与蛋白质结合形成纤维,然后组装成扭曲的“螺旋状”排列。纤维以这种扭曲的方式堆积,使角质层形成多层的微观结构。这种结构具有韧性、吸收能量(即吸收冲击能量)和耐损伤性,因为它具有偏转、扭转和阻止层间界面裂纹扩展的能力。但几丁质角质层的固有特性不足以解释恶魔铁甲虫的突出韧性。

会飞的甲虫有坚硬的前翅(鞘翅)来保护下面用于飞行的后翅。但是恶魔铁甲虫已经失去了飞行的能力,它的鞘翅被永久地锁在一起以保护自己不受捕食者的伤害。Rivera等人对这些甲虫的整个外骨骼进行了宏观的压缩试验,以研究它们的韧性。

作者发现,这些小甲虫(约2厘米长)可以承受最大149牛顿的力,相当于大约15公斤的重量。这大约是甲虫体重的39000倍,大约是潜在的捕食者产生的咬合力的10倍。它的重量也远远大于研究人员实验中测试的其他三种陆生甲虫的外骨骼所能承受的重量。

Rivera等人对这种凶残的恶魔铁甲虫的外骨骼进行了成分分析和微观结构表征。这表明,其外骨骼富含蛋白质,但不含无机矿物质(甲壳类动物的外骨骼就含有无机矿物质),而且它的内膜比其他昆虫要厚得多。这种厚度可能有助于外骨骼吸收能量的能力,但仍然不能完全解释它的韧性。

Rivera和他的同事们使用一种叫做显微计算机断层摄影的成像技术,继续观察外骨骼界面的一些显著特征:鞘骨和腹侧角质层(甲虫底面的壳)界面的横向支撑,还有一种被称为缝合线的刚性关节,永久性地将两个鞘翅融合在一起。有三种不同类型的侧向支撑,它们被发现在外骨骼的前面到后面的特定区域。根据它们的界面几何形状,作者描述了三种类型:交错型、闭锁型和独立型。这种界面结构的变化在其他甲虫中是不存在的,它们的全身只有交叉趾支撑。

Rivera等人利用压缩试验和计算模拟研究了三种不同类型的侧向支撑的力学性能。他们观察到交叉支撑物在受压下是最坚硬和最强的。闭锁支撑较少,允许更多的外骨骼变形比交叉支撑。扫描电子显微镜显示,闭锁支架的接触面被微米级的杆状突起密集覆盖,这可能会提高表面对彼此的摩擦抓地力。独立的支架在鞘翅和腹侧角质层之间缺乏牢固的连接,因此在受压情况下,两个表面可以很容易地相互滑动。

作者得出的结论是,坚硬的交叉指状支撑是用来保护甲虫的重要器官不被压碎,而柔韧的锁扣和独立支撑允许外骨骼变形,这样甲虫就可以挤进岩石或树皮的缝隙中。蟑螂也有类似的变形能力,这启发了一种可压缩机器人的设计,这种机器人可以挤进狭小的空间,并在里面移动。

这样的机器人可以被用来在灾难后倒塌的建筑物中寻找幸存者,恶魔铁甲虫功能多样的支撑结构可能会激发可压缩机器人或装甲车的新设计。

飞行甲虫鞘翅之间的铰链通常有一个“舌槽”结构,便于在飞行和降落时重复打开和关闭鞘翅。相比之下,恶魔铁甲虫鞘翅之间的缝合线包含了被称为刀片的交错的、锯齿状的结构。Rivera和他的同事研究了叶片的几何形状、数量和微观结构特征如何影响缝合线的力学性能,他们结合了计算模拟和3D打印的缝合线模型的力学测试。

作者报告说,带椭圆形叶片的缝合线比带半球形和三角形叶片的缝合线更坚硬,这种叶片通常见于其他陆生甲虫。由两个刀片组成的3D打印缝合线是最坚韧的,而那些由五个刀片组成的缝合线是最坚硬的,在破裂前承受的力是最高的。因此,缝合线结构的优化涉及韧性、刚度和抗断裂性的权衡。

最后,Rivera等人模仿甲虫的外骨骼,制作了具有层状微结构的锯齿形叶片,并将其与两种缺乏这种微结构的叶片进行了比较。这种受甲壳虫启发的层压叶片比其他两种类型的叶片更坚固,吸收更多的能量。

在工程应用中,常用的材料之间的接头往往在其最薄的区域断裂,该区域拉应力集中,导致不可预测的灾难性破坏。相比之下,在Rivera和同事的仿生叶片中,拉伸应力仅导致局部分层,这使叶片的颈部区域横向扩张,从而使互锁的叶片相互间握得更紧。

与工程上使用的接头相比,叠层叶片的断裂方式更容易预测也更渐进,最初会产生不扩展的周向裂纹。如果在实际应用中使用仿生叶片作为连接材料,可以定期检查这些裂纹,以防止其最终断裂,因此将比目前使用的连接材料更安全、更可靠。然而,在考虑应用之前,Rivera和他的同事们还需要对他们的叠层叶片进行进一步的评估。例如,在压缩、弯曲和扭转下表征它们的性能,并发现它们如何随着时间的推移而变得疲劳。

作者的工作主要集中在亚毫米和宏观尺度上的力学性能,考虑了恶魔铁甲虫的界面结构和层状微结构。然而,低层次(小尺度)的结构特征对鞘翅的影响还需要通过多尺度建模和实验来探索。利用人工智能和机器学习的新兴方法,可能会加速以鞘翅为基础的层次结构材料的搜索,这些材料与目前可用的材料相比,具有更优越的机械性能。

同时,Rivera及其同事的缝合方法,即将先进的字符电子化方法与机械测试和3D打印相结合,为研究具有复杂结构的其他出色天然材料提供了模板。作者的研究表明,你永远不应该低估昆虫的侧向支撑能力。

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