(David Kisailus/UCI) Pirullinen rautakuoriainen ( Phloeodes diabolicus ).
Mutta mitä siitä puuttuu häikäisyssä, se korvaa kestävyyden: sen eksoskeleton on yksi luonnon kovimmista materiaaleista. Nyt tiedemiehet ovat saattaneet vihdoin selvittää sen salaisuudet - ja alkavat soveltaa niitä uusiin materiaaleihin.
Sen lisäksi, että saalistajien on uskomattoman vaikeaa hyökätä, pirullisen rautakuoriaisen on tiedetty selviytyvän paitsi ihmisten kompastuksista, myös autojen ajamisesta. Sen ulkoinen luuranko on niin kova, että entomologit ovat havainneet, että kovakuoriaisen kiinnittäminen esillepanoa varten teräspuikoilla on haastavaa.
Vaikka se ei osaa lentää, sen selviytymistaidot ovat katon läpi. Ja tiedemiehet ovat juuri käyttäneet joukkoa työkaluja löytääkseen fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet, jotka antavat pirullisen rautakuoriaiselle sen uskomattoman vahvuuden.
'Rautakuoriainen on maanpäällinen kovakuoriainen, joten se ei ole kevyt ja nopea, vaan se on rakennettu enemmän kuin pieni tankki.' sanoi materiaalitutkija David Kisailus Kalifornian yliopiston Irvine.
'Se on sen mukautuminen: se ei voi lentää pois, joten se vain pysyy paikallaan ja antaa erityisesti suunnitellun panssarinsa kestää väärinkäytön, kunnes saalistaja antaa periksi.'
Pieni kovakuoriainen on pituudeltaan hieman yli senttimetrin, ja se viettää aikansa ryömimällä Pohjois-Amerikan lounaisaavikoilla, väijyen kivien tai puiden kuoren alla. Ryhmä keräsi kovakuoriaiset Kalifornian Inland Empire -alueelta.
Ensin he suorittivat koko eksoskeleton teräslevyn puristustestit varmistaakseen, kuinka paljon voimaa kovakuoriainen kesti, vertaamalla tuloksia saman alueen muihin kovakuoriaislajeihin, joilla on samankaltaisia petoeläimiä, kuten nokkivia lintuja, ja sama puolustusstrategia. kuollut.
Samankaltaiset kovakuoriaiset pystyivät kestämään alle 68 newtonin keskimääräisen huippukuorman. Pirullinen rautakuoriainen sitä vastoin kesti 149 Newtonin maksimivoiman - se on leuan pudotus 39 000 kertaa sen oma ruumiinpaino.
Kuvittele vain 39 000 kloonin paino. Jep.
Joka tapauksessa, seuraava askel oli yrittää selvittää, kuinka pieni kovakuoriainen tekee sen, mitä se tekee, mihin työryhmä käytti spektroskopiaa, pyyhkäisyelektronimikroskooppia ja CT-skannauksia tutkiakseen tarkasti kovan kuoren.
He myös suorittivat simulaatioita ja käyttivät 3D-tulostettuja malleja löydösten tarkistamiseen.
Koko eksoskeleton arkkitehtuuri ja materiaalikoostumus muodostavat osan sitkeydestä; mutta avain, tutkijat havaitsivat, oli elytrassa.
Lentävissä kovakuoriaisissa elytra ovat kovat etusiivet, jotka toimivat siipikoteloina suojaamaan herkempiä suonisia takasiipiä, joita hyönteinen käyttää lentäessään.
Koska pirullinen rautakuoriainen ei lennä, sen elytra on kovettunut entisestään ja lukkiutunut yhteen ompelulinjaa pitkin toimimaan enemmän kuin panssari.
(Purdue Engineering/YouTube)
Tämä eksoskeleton, jonka tiimi havaitsi, koostuu kitiinistä, glukoosista johdetusta kuitumateriaalista ja proteiinimatriisista. Kun he vertasivat pirullisen rautakuoriaisen ulkorunkoa samankaltaiseen kovakuoriaiseen, he havaitsivat, että rautakuoriaisessa oli huomattavasti enemmän proteiinia - noin 10 prosenttia enemmän painosta.
Mutta ompeleella, jota pitkin kovakuoriaisen elytra sulautuu, oli ratkaiseva rooli sen sitkeydessä.
'Ompele toimii kuin palapeli.' sanoi materiaalitutkija Pablo Zavattieri Purduen yliopistosta. 'Se yhdistää erilaisia eksoskeletaalisia teriä - palapelin palasia - vatsassa elytran alla.'
Kun tiimi katsoi tarkemmin, kuinka nämä yhteenliittyvät rakenteet toimivat paineen alaisena, he löysivät jotain mielenkiintoista.
Sen sijaan, että palapelin palaset katkesivat toisistaan, kuten luulisi, että luuston terien mikrorakenteet väistyivät kerroksellisella rinnakkaismurtautumisella, joka tunnetaan ns. delaminaatio .
Tätä auttaa terien ulkopinnoilla oleva mikroskooppisten karvojen pinnoite, nimeltään microtrichia, joka lisää kitkaa ja estää toisiinsa kiinnittyviä reunoja liukumasta erilleen. Tämä ominaisuuksien yhdistelmä mahdollistaa elytran muodonmuutoksen hellämmin, mikä haihduttaa energiaa tasaisemmin ja estää eksoskeleton katkeamasta ja tappamasta hyönteistä.
'Kun rikot palapelin palan, odotat sen erottuvan niskasta, ohuimmasta kohdasta.' Kisailus sanoi . 'Mutta emme näe tällaista katastrofaalista jakautumista tämän kovakuoriaislajin kanssa. Sen sijaan se delaminoituu, mikä mahdollistaa rakenteen siromman epäonnistumisen.
Tämä löytö voisi tasoittaa tietä kestävämpien materiaalien kehittämiselle teknisten haasteiden voittamiseksi. Tämä voisi johtaa esimerkiksi turvallisempiin lentokonemoottoreihin, joissa käytetään kiinnikkeitä, jotka lisäävät rakenteellista rasitusta ja vähentävät moottorin kokonaiskestävyyttä.
Tutkijat rakensivat lentokoneen moottorin kiinnittimen hiilikuitumateriaalista ja matkivat pirullisen rautakuoriaisen ompeleen palapelirakennetta.
Tehtyjen kuormitustestien jälkeen he havaitsivat, että niiden kiinnitys oli yhtä vahva kuin tällä hetkellä käytössä olevat kiinnikkeet, mutta huomattavasti lujempi.
'Aktiivinen suunnitteluhaaste on erilaisten materiaalien yhdistäminen rajoittamatta niiden kykyä kantaa kuormia.' sanoi koneinsinööri David Restrepo Texasin yliopistosta San Antoniossa.
'Palveluisella rautakuoriaisella on strategioita näiden rajoitusten kiertämiseksi.'
Tutkimus on julkaistu v Luonto .