Materialeforskere opdager designhemmeligheder for et næsten uforgængeligt insekt

Med et af de mere ærefrygtindgydende navne i dyreriget, den djævelske jernbeklædte bille er et formidabelt insekt. Fugle, Firben og gnavere forsøger ofte at lave et måltid af det, men det lykkes sjældent. Kør over det med en bil, og krybben lever videre.

Billens overlevelse afhænger af to nøglefaktorer:dens evne til overbevisende at spille død og et eksoskelet, der er et af de hårdeste, mest knusningsresistente strukturer, der vides at eksistere i den biologiske verden. I et papir offentliggjort i dag i Natur , forskere ved University of California, Irvine og andre institutioner afslører de materielle komponenter - og deres nano- og mikroskalaplaner - der gør organismen så uforgængelig, og samtidig demonstrere, hvordan ingeniører kan drage fordel af disse designs.

"Den jernbeklædte er en terrestrisk bille, så det er ikke let og hurtigt, men bygget mere som en lille tank, " sagde principforsker og tilsvarende forfatter David Kisailus, UCI professor i materialevidenskab og teknik. "Det er dens tilpasning:Den kan ikke flyve væk, så den bliver bare siddende og lader sin specialdesignede rustning tage overgrebene, indtil rovdyret giver op."

I dets ørkenhabitat i det sydvestlige USA, billen kan findes under sten og i træer, klemt mellem barken og stammen - en anden grund til, at den skal have et holdbart ydre.

Hovedforfatter Jesus Rivera, en kandidatstuderende i Kisailus 'laboratorium, lærte først om disse organismer i 2015 under et besøg på det berømte entomologimuseum ved UC Riverside, hvor han og Kisailus arbejdede dengang. Rivera indsamlede billerne fra steder omkring Inland Empire campus og bragte dem tilbage til Kisailus' laboratorium for at udføre kompressionstest, sammenligne resultaterne med resultaterne af andre arter hjemmehørende i det sydlige Californien. De fandt ud af, at den djævelske jernbeklædte bille kan modstå en kraft på omkring 39, 000 gange sin kropsvægt. En mand på 200 pund ville skulle udholde den knusende vægt på 7,8 millioner pund for at nå denne bedrift.

Udførelse af en række mikroskopiske og spektroskopiske evalueringer i høj opløsning, Rivera og Kisailus erfarede, at insektens hemmelighed ligger i dens materielle makeup og arkitektur af dens eksoskelet, specifikt, dens elytra. Hos luftbiller, elytra er forvingebladene, der åbner og lukker for at beskytte flyvevingerne mod bakterier, udtørring og andre kilder til skade. De jernbeklædte elytra har udviklet sig til at blive en solid, beskyttende skjold.

Analyse foretaget af Kisailus og Rivera viste, at elytraen består af lag af kitin, et fibrøst materiale, og en proteinmatrix. I samarbejde med en gruppe ledet af Atsushi Arakaki og hans kandidatstuderende Satoshi Murata, både fra Tokyo University of Agriculture and Technology, de undersøgte den kemiske sammensætning af eksoskeletet af en lettere flyvende bille og sammenlignede det med deres jordbundne emne. Den djævelske jernbeklædte billes ydre lag har en markant højere koncentration af protein - omkring 10 procent mere efter vægt¬¬ - hvilket forskerne foreslår bidrager til den øgede sejhed af elytraen.

Teamet undersøgte også geometrien i den mediale sutur, der forbinder de to dele af elytraet sammen og fandt ud af, at det ligner meget sammenlåsende brikker i et puslespil. Rivera byggede en enhed inde i et elektronmikroskop for at observere, hvordan disse forbindelser fungerer under kompression, svarende til, hvordan de reagerer i naturen. Resultaterne af hans eksperiment viste, at i stedet for at snappe på "hals" -regionen af ​​disse interlocks, mikrostrukturen inden i elytra -bladene giver plads ved delaminering, eller lagdelt frakturering.

"Når du knækker en puslespilsbrik, du forventer, at den skiller sig ad i nakken, den tyndeste del, " sagde Kisailus. "Men vi ser ikke den slags katastrofale splittelse med denne billeart. I stedet, det delaminerer, sørger for en mere yndefuld fiasko af strukturen."

Yderligere mikroskopisk undersøgelse foretaget af Rivera afslørede, at de udvendige overflader af disse blade har arrays af stanglignende elementer kaldet mikrotrichia, som forskerne mener fungerer som friktionspuder, giver modstand mod glidning.

Kisailus sendte Rivera for at arbejde med Dula Parkinson og Harold Barnard ved Advanced Light Source på Lawrence Berkeley National Laboratory, hvor de udførte højopløselige eksperimenter for at lokalisere ændringerne i strukturerne i realtid ved hjælp af ekstremt kraftige røntgenstråler.

Resultaterne bekræftede, at under kompression, suturen - i stedet for at knække på det tyndeste punkt - delamineres langsomt uden katastrofalt svigt. De bekræftede også, at geometrien, materialekomponenterne og deres samling er afgørende for at gøre billens eksoskelet så sejt og robust.

For yderligere at underbygge deres eksperimentelle observationer, Rivera og medforfatterne Maryam Hosseini og David Restrepo - begge fra Pablo Zavattieris laboratorium ved Purdue University - brugte 3-D printteknikker til at skabe deres egne strukturer af samme design. De kørte test, der afslørede, at arrangementet giver den maksimale mængde styrke og holdbarhed. Purdue-teamets modeller viste, at ikke kun geometrien muliggør en stærkere sammenlåsning, men lamineringen giver en mere pålidelig grænseflade.

Kisailus sagde, at han ser et stort løfte i den jernbeklædte billes eksoskelet og andre biologiske systemer for nye stoffer til gavn for menneskeheden. Hans laboratorium har gjort avanceret, fiberforstærkede kompositmaterialer baseret på disse egenskaber, og han forestiller sig udviklingen af ​​nye måder at smelte flysegmenter sammen uden brug af traditionelle nitter og fastgørelseselementer, som hver repræsenterer et stresspunkt i strukturen.

Hans hold, herunder UC Riverside bachelor Drago Vasile, efterlignede den elliptiske, sammenlåsende stykker af den djævelske jernbeklædte billes eksoskelet med kulfiberforstærket plast. De sluttede deres biomimetiske komposit til en aluminiumskobling og gennemførte mekaniske test for at afgøre, om der var fordele i forhold til standard luftfartsfastgørelser i bindende forskellige materialer. Helt sikkert, forskerne fandt ud af, at den bille-inspirerede struktur var både stærkere og sejere end de nuværende tekniske fastgørelseselementer.

"Denne undersøgelse bygger virkelig bro mellem biologiens felter, fysik, mekanik og materialevidenskab mod tekniske applikationer, som du normalt ikke ser i forskning, " sagde Kisailus. "Heldigvis, dette program, som er sponsoreret af luftvåbnet, gør os virkelig i stand til at danne disse tværfaglige teams, der hjalp med at forbinde prikkerne for at føre til denne betydningsfulde opdagelse."