“惡魔鐵甲”的甲蟲被汽車碾過也能存活，科學家發現其奧妙所在

這隻名為“惡魔鐵甲”的甲蟲（Phloeodes diabolicus）有著令人印象深刻的堅韌的外骨骼，使它能夠在掠食者的攻擊下生存，被徒步旅行者踩踏，甚至被汽車碾過。里維拉等人在《自然》雜誌上撰文，揭示了這種甲蟲抗壓能力的秘密。結合先進的顯微鏡、力學測試和計算機模擬，作者發現，層狀的、鋸齒狀的接頭和各種支撐結構將外骨骼的各個部分連線起來，這就解釋了它外骨骼的韌性。

在骨骼、牙齒和貝殼中發現的天然材料，通常具有特殊的機械效能，以傳統工程材料無法達到的方式將強度、韌性和自愈能力結合起來。這些優異的效能部分歸因於材料的層次結構：成分是由從分子尺度到宏觀尺度的幾個不同尺度的重複結構或圖案組合而成的。更重要的是，不同尺度的積木之間的介面導致協同增強和增韌機制。因此，受大自然的啟發，許多人致力於開發具有層次結構的複合材料。

其中一個靈感來自節肢動物的外骨骼，包括昆蟲和其他有關節的無脊椎動物。節肢動物外骨骼是一種多功能盔甲，由三個主要層組成：最外層的防水外表皮；下層的外表皮；最內層的內表皮。兩個內部角質層為機體提供保護和機械支援。

在角質層中，多糖α-甲殼素的分子與蛋白質結合形成纖維，纖維聚整合扭曲的螺旋狀排列。這種扭曲排列的纖維堆積使角質層具有多層（層壓）微觀結構。這種結構堅固、進行能量吸收（即，它可以吸收衝擊能量）和具有損傷容限，因為它能夠偏轉、扭轉和阻止層間介面處的裂紋擴充套件。但甲殼質角質層的內在性質不足以解釋其外骨骼的韌性。

惡魔鐵甲甲蟲的強大之處

飛行甲蟲已經硬化了前翅（elytra），以保護用於飛行的後翅。但惡魔鐵甲甲蟲已經失去了飛翔的能力，它的前翅被永久性地鎖在一起，以保護自己免受捕食者的攻擊。里維拉人對這些甲蟲的整個外骨骼進行了宏觀壓縮試驗，以研究它們的韌性。

里維拉發現這些小昆蟲（大約2釐米長）能承受149牛頓的最大力，相當於大約15公斤的重量。這大約是甲蟲體重的3。9萬倍，大約是潛在捕食者所產生的咬合力的10倍。在研究人員的實驗中，它的重量也遠遠大於其他三種陸生甲蟲的外骨骼所能承受的重量。

里維拉等人對其外骨骼進行了成分分析和顯微結構表徵研究。研究表明外骨骼富含蛋白質，但不含無機礦物質（甲殼綱動物的外骨骼就是如此），而且它的內囊比其他昆蟲厚得多。這種厚度可能有助於增強外骨骼吸收能量的能力，但仍不能完全解釋其韌性。

里維拉和他的同事們利用一種叫做顯微計算機斷層攝影術的成像技術，在外骨骼的介面上觀察到了一些顯著的特徵：鞘翅目和腹側角質層（甲殼蟲下側的外殼）之間的介面處有側邊支撐；還有一個剛性的關節，被稱為縫線，它們永久地融合在一起。有三種不同型別的側向支撐，它們分佈在從外骨骼前部到後部的特定區域。里維拉根據它們的介面幾何形狀，將其分為叉指型、閉鎖型和獨立型。這種介面結構的變化在其他甲蟲身上是不存在的，它們的全身只有叉指狀的支撐。

研究發現堅固而堅硬的交叉指狀支撐物用於保護甲蟲的重要器官不被壓碎，而柔順的閉鎖式和獨立式的支撐物允許外骨骼變形，從而使甲蟲能夠擠入岩石或樹皮的縫隙中。蟑螂也有類似的變形能力。這啟發了一種可壓縮機器人的設計，這種機器人可以擠進狹小的空間並在狹小的空間內移動。這樣的機器人可以用來在災後倒塌的建築物中搜尋倖存者。