科学家将这里的一系列凸起物 ， 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粘合在一起的组织层 ， 具有较高的抗损伤性以及自我修复性 。
当用一定的力挤压甲虫时 ， 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 ， 保护体内的软组织 。
图｜恶魔铁甲虫背部装甲之间的拼装结构
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 ， 从而使甲虫能够挤入岩石或树皮的缝隙中 。
类似的变形适应能力 ， 可启发设计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 ， 可以用来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设计思路 。
在宏观尺度上 ， 外骨骼特殊结合方式产生了不同的侧向支撑 ， 也形成了保护重要器官的刚性梯度 ， 并在整个身体上均匀分布载荷 。
甲虫外壳与材料工程学研究人员效仿这种方式 ， 顺带研究了 “刀片” 的几何结构在数量、微观特征等方面如何影响缝合线的机械性能 ， 他们使用 3D 打印模型来进行计算模拟和机械测试 。 结果发现 ， 与其他陆生甲虫常见的半球形连接结构相比 ， 恶魔铁甲虫具备的椭圆形 “刀片” 缝合结构更坚硬和牢固 。
而且 ， 在这项实验中 ， 由两个 “刀片” 组成的 3D 打印缝合结构 ， 可以兼顾柔性与刚性 ， 而带有四个 “刀片” 的缝合线在断裂前应力分布、刚度和峰值载荷似乎最大 ， 因此 ， 缝合结构的优化 ， 需要涉及到韧性、刚度和抗断裂性的多维权衡 。
图｜一只恶魔铁甲虫样本
对于恶魔铁甲虫来说 ， 不得不感叹 ， 小小的身体里 ， 自然进化的结果是如此伟大 ， 放弃飞行能力的它 ， 让自身装甲的进化强于大多数同类 。
由于缺乏逃离升天的能力 ， 这种沙漠昆虫具有极强的抗冲击性和抗挤压性 ， 且兼顾复杂和灵活的身体结构调整 。
延伸到工程结构领域 ， 目前连接塑料和金属等不同材料仍然是一个挑战 。 机械紧固、常规焊接和粘合是目前比较常用的操作方式 ， 但这些方法中的每一种都有其自身的问题 ， 例如在环境暴露下形成应力集中或退化 ， 进而很快降低强度并导致过早失效 。
恶魔铁甲虫的身体构造会带来新的启发 ， 一些仿生设计其实已经在发生 。
图｜甲虫结构曾被用于装甲车设计
2016 年 ， 美国国防承包商 BAE Systems 宣布了一种新型的可弯曲悬架系统 ， 其灵感来便自于一种甲虫 ， 它可以使军用车辆能够经受住地雷爆炸的袭击 。
此外 ， 在飞机的发动机涡扇结构中 ， 金属和复合材料通过机械紧固件连接在一起 ， 这些紧固件不仅增加了重量 ， 也引入了可能导致破裂和腐蚀的应力 。
基于这项甲虫研究 ， 研究人员构建了一系列具有椭圆几何和层压微观结构的仿生复合材料 ， 并将其与标准航空紧固件（例如 ， 用于连接铝 - 碳复合结构的 Hi-Lok 紧固件）进行了比较 。
图｜用甲虫结构经验改进飞机涡扇
结果发现 ， 从恶魔铁甲虫身上汲取到的结构 “专利” ， 缝合线的复合材料叶片比当下工程紧固件性能（约 18±0.73 MPa）略强 ， 约为 19±1.08 MPa ， 不过这种直接效仿的复合材料叶片内 ， 层压微观结构还是表现出了渐进的失效 ， 所以仍有待优化 。
所以 ， 在考虑应用之前 ， 科研人员仍需对层压结构和刀片契合进行进一步评估 ， 例如 ， 表征其在压缩、弯曲和扭转下的性能 ， 并发现它们随着时间推移是如何变得疲劳的 。
下一步仍需通过多尺度建模和实验来探索 ， 使用人工智能和机器学习等方法可能会加快应用试验 ， 让这些结构方式与目前可用的材料结合 ， 形成更高的工程机械性能 。
图｜对甲虫的微观扫描图
自然进化中蕴藏无限灵感论文作者之一 ， 大卫?基萨卢斯在采访中补充说：“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 。 ”“这项研究将生物学、物理学、力学和材料科学等领域的知识与工程应用联系起来 ， 这些新发现通常是我们看不到的 。 ”
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