汽車輾過牠不怕 「惡魔鐵甲蟲」堅若磐石之謎

by:泥仔
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如果你在家裡發現一隻小蟲子,可能會直覺想要用兩隻手指頭稍加施力將之捏死;不過面對這隻連名字聽起來都很厲害的甲蟲,你可能不僅弄不死牠,還會覺得自己是在捏一塊小石頭。

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圖為惡魔鐵甲蟲的標本,從外觀來看不難想像牠的堅韌。

Photo: wiki commons

牠,堅若磐石

棲息在美國南加州的乾旱地帶,牠喜歡以樹皮下的真菌為食,牠的大小只比米粒再大一點,卻是動物王國裡目前已知擁有最堅韌、最耐壓的外骨骼的生物之一,牠就是「惡魔鐵甲蟲」(俗稱diabolical ironclad beetle,學名為Phloeodes diabolicus)。

比自己重3.9萬倍  沒問題

說堅韌有多堅韌呢?美國加州大學研究生瑞文納(Jesus Rivera)曾經把惡魔鐵甲蟲拿去進行壓力測試,結果發現惡魔鐵甲蟲可以承受 150牛頓的重量,是牠體重的 3萬9,000倍,相當於一個 90公斤重的男性必須承重三百五十多萬公斤。由於汽車輾過的重量大約是 100牛頓,換句話說,這代表惡魔鐵甲蟲就算被汽車輾過也不會受到影響(在後來的實測中也獲得證實)。

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圖為鍬形蟲的圖艦。牠和惡魔鐵甲蟲同為鞘翅目,也都有鞘翅這個構造。

Photo: wiki commons

秘密就在外骨骼

為了瞭解惡魔鐵甲蟲到底為什麼會如此堅不可摧,美國加州大學、普渡大學等研究單位共同對此進行研究。在透過一系列高解析度顯微鏡和光譜分析,研究團隊相信惡魔鐵甲蟲如此堅韌的秘密就藏在其外骨骼構造,特別是鞘翅(elytra)的部分。該研究結果最近也刊載於期刊《自然》上。

像拼圖一樣  又能分散壓力

鞘翅就是甲蟲經過演化、變硬之後的前翅,它在合起來的時候有如盔甲一般,能夠保護甲蟲不受傷害。研究發現,惡魔鐵甲蟲的鞘翅在密合處的結構像凹凸拼圖一般,讓它們不會輕易分開;就算牠的鞘翅突然承受極大的壓力瀕臨分開,也能透過分層剝離(delamination, or layered fracturing)這種保護機制讓鞘翅能夠緩慢變形、分散它所承受的力量,我們可以在影片 1:32秒處看到它是如何運作的:


還有提升摩擦力的元素

研究相信,這一點對惡魔鐵甲蟲的頑強來說是極為重要的一點,他們也相信鞘翅的表面上有著微毛(microtrichia)的桿狀元素增加了鞘翅的摩擦力,讓它在面對壓力的時候更不容易滑開。種種原因才會讓惡魔鐵甲蟲就算被車子輾過去,也能像什麼都沒有發生一樣。

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研究相信,他們的發現將能夠應用在航太工業的接合技術上。

Photo: pikist

來自美國空軍的計畫項目

對於這樣的發現,研究相信他們可以應用在現在的工程技術上。事實上,這份甲蟲研究也是美國空軍斥資 800萬美元(折台幣約 2.3億元)資助的計畫項目之一,該項目旨在研究蝦蛄、大角羊等生物特性,能如何替軍方在研發耐衝擊材料上提供靈感。

不同材質如何銜接  大有學問

有參與研究的美國普渡大學土木工程學教授塞巴提耶里(Pablo Zavattieri)就指出,對航太工業這些領域來說,要怎麼把兩個完全不一樣的材質接在一起總是門學問,比如說現在打造渦輪噴射引擎的時候,會使用螺絲、螺母、螺桿這些金屬緊固件來把不同材質的零件組裝在一起,但這有可能增加額外的重量或壓力,導致物件結構受損、影響到其功能性。

參考生物特色  製作仿生材料

「我們已經有了該有的零件,但問題在要怎麼把它們合在一起,」土木工程學教授塞巴提耶里說,而他們相信把借鑑惡魔鐵甲蟲所製作的仿生材料應用在航太工業上的接合技術是有可能的,現在也已經在研發當中。

「這是一個我們如何參考大自然的經典例子,」塞巴提耶里說:「每當我們向大自然取經時,總能發現到新的事物。」

其實魔鬼氈的發明,也是受到植物所啟發。

Photo: Alexander Klink

經驗豐富如大自然

沒有參與研究的美國布朗大學的生物演化學家多尼韋(Colin Dihue)也對這個研究結果抱持正面態度,他指出在很多時候,人類都會參考大自然的經驗來解決自己生活中碰到的挑戰,舉凡魔鬼氈的靈感就是源自植物的鉤狀毛刺結構;黏著劑則是師法壁虎神奇的攀爬能力等等。

多尼韋也相信還有更多大自然的特性等著我們進一步去洞悉,他說:「畢竟它們可都是在經過數百萬年的演化與適應而來的。」