Попасть под машину - это не предсмертный опыт для дьявольского броненосного жука.
То, как выживает жук, может вдохновить на разработку новых материалов с такой же геркулесовой прочностью, показывают инженеры в статье, опубликованной в среду (21 октября) в журнале Nature.
Эти материалы должны быть жесткими, но пластичными, как скрепка для бумаги, что сделает такие машины, как авиационные газовые турбины, более безопасными и долговечными, говорят исследователи.
Исследование, проведенное инженерами Калифорнийского университета в Ирвине (UCI) и Университета Пердью, показало, что сверхпрочность дьявольского броненосного жука заключается в его двух бронированных «надкрыльях», которые встречаются на линии, называемой шов по всей длине живота.
У летающих жуков надкрылья защищают крылья и облегчают полет. Но у дьявольского бронированного жука нет крыльев. Вместо этого надкрылья и соединительный шов помогают более равномерно распределять приложенную силу по всему телу.
«Шов действует как головоломка. Он соединяет различные лезвия экзоскелета - кусочки головоломки - в брюшной полости под надкрыльями», - сказал Пабло Заваттьери, Джерри М. и Линда Т. Энгельхардт из Purdue, профессор гражданского строительства..
Эта головоломка приходит на помощь по-разному, в зависимости от величины приложенной силы, сказал Заваттьери.
Чтобы раскрыть эти стратегии, команда под руководством профессора UCI Дэвида Кисайлуса сначала проверила пределы экзоскелета жука и охарактеризовала различные структурные компоненты, вовлеченные в него, изучив компьютерную томографию.
Используя сжимающиеся стальные пластины, исследователи UCI обнаружили, что дьявольский броненосный жук может выдержать приложенную силу около 150 ньютонов - нагрузку, по крайней мере, в 39 000 раз превышающую его массу тела - до того, как экзоскелет начнет разрушаться.
Это более впечатляюще, чем звуки: автомобильная шина приложит силу около 100 ньютонов, если наедет на жука на грязной поверхности, считают исследователи. Другие наземные жуки, которых тестировала команда, не могли выдержать и половины той силы, которую может выдержать дьявольский броненосец.
Лаборатория Заваттьери продолжила эти эксперименты обширным компьютерным моделированием и 3D-моделями, которые изолировали определенные структуры, чтобы лучше понять их роль в спасении жизни жука.
Все эти исследования вместе взятые показали, что под сжимающей нагрузкой, такой как автомобильная шина, шов, похожий на пилу, у дьявольского броненосного жука обеспечивает две линии защиты.
Во-первых, соединяющиеся лезвия блокируются, чтобы предотвратить их выпадение из нити, как кусочки головоломки. Во-вторых, шов и лопасти расслаиваются, что приводит к более изящной деформации, смягчающей катастрофическое разрушение экзоскелета. Каждая стратегия рассеивает энергию, чтобы избежать смертельного удара в шею, где экзоскелет жука, скорее всего, сломается.
Даже если к экзоскелету жука приложено максимальное усилие, расслоение позволяет соединяющимся лезвиям более мягко вытягиваться из нити. Если бы лезвия сцепились слишком сильно или слишком слабо, внезапный выброс энергии заставил бы жука сломать шею.
Пока неизвестно, есть ли у дьявольского броненосного жука способ излечить себя после того, как он пережил автомобильную "аварию". Но знание этих стратегий уже может решить проблемы усталости в различных видах оборудования.
«Активной инженерной задачей является соединение различных материалов без ограничения их способности выдерживать нагрузки. У дьявольского броненосного жука есть стратегии, позволяющие обойти эти ограничения», - сказал Дэвид Рестрепо, доцент Техасского университета в Сан-Антонио. который работал над этим проектом в качестве постдокторанта в группе Заваттьери.
В газовых турбинах самолетов, например, металлы и композитные материалы соединяются между собой механическим креплением. Этот крепеж увеличивает вес и создает напряжение, которое может привести к трещинам и коррозии.
«Эти крепежные детали в конечном итоге снижают производительность системы, и их необходимо время от времени заменять. Но межповерхностные швы дьявольского броненосного жука обеспечивают надежный и более предсказуемый отказ, который может помочь решить эти проблемы», - сказала Марьям. Хоссейни, который работал над этим проектом как доктор философии. студент и научный сотрудник в группе Заваттьери. Хоссейни теперь технический менеджер в Procter & Gamble Corp.
Исследователи UCI создали застежку из углеродного волокна, имитирующую шов дьявольского броненосного жука. Исследователи Purdue в ходе испытаний под нагрузкой обнаружили, что этот крепеж такой же прочный, как стандартный аэрокосмический крепеж, но значительно прочнее.
Эта работа показывает, что мы можем перейти от использования прочных, хрупких материалов к материалам, которые могут быть одновременно прочными и жесткими, рассеивая энергию при их разрушении. Это то, что природа позволила сделать дьявольскому броненосному жуку, - сказал Заваттьери.
Это исследование финансируется Управлением научных исследований ВВС и Управлением армейских исследований в рамках Межуниверситетской исследовательской инициативы (номер награды FA9550-15-1-0009). В исследовании использовались ресурсы Advanced Light Source, Центра научных исследований Министерства энергетики США.