客观日本

可以承受汽车辗轧的甲虫,身体坚硬的秘密在于“凹凸”结构

2020年11月17日 生物医药

北美有一种即使被汽车辗轧也不会死亡的甲虫。东京农工大学等日美两国组成的研究团队详细调查了这种甲虫的身体,发现其外骨骼的接缝处有两对独特的凹凸结构等,由此构成了坚硬的身体。今后在参考生物结构和功能等进行技术开发的“仿生学”领域将会受到关注。

栖息在美国加利福尼亚州南部干旱地区的甲虫“恶魔铁锭甲虫(Phloeodes diabolicus)”没有翅膀,不能飞行,但拥有可以承受汽车辗轧的坚硬外骨骼。基于这一特征,还被称为“用钢铁武装的甲虫”。

title

恶魔铁锭甲虫(图片由美国加利福尼亚大学的David Kisailus教授提供)

为揭开甲虫身体的秘密,研究团队利用金属材料试验法测试了这种甲虫的外骨骼。由此发现,这种昆虫大约可以承受133牛顿的重量,约相当于其自重的3万9000倍。性能为近缘物种的一倍以上。

研究团队利用电子显微镜和CT扫描调查外骨骼还发现,连接处的截面像拼图的碎片一样,通过两对凹凸结构啮合在一起。以前只在甲虫身上发现过一对这样的结构,这应该是首次发现两对。

另外,在甲虫的表皮,由多糖甲壳素和蛋白质形成的纤维以条纹状堆叠成层,这种层结构也延伸到了凹凸部分。据介绍,这为甲虫实现能承受巨大重力的韧性做出了很大贡献。调查外骨骼的有机物成分还发现,蛋白质的含量比日本的独角仙高出10%左右。这应该也为实现坚硬的外壳做出了贡献。

title

恶魔铁锭甲虫外骨骼连接处的截面。两对凹凸结构啮合在一起(中央的虚线方框内)。左侧的红框内用黄线突出了这种凹凸结构。右上方的黄框内为近缘物种的凹凸结构,只有一对凹凸结构(图片由美国加利福尼亚大学的David Kisailus教授提供)

研究团队利用碳材料模拟这两对凹凸结构制作了人工结构体,调查接合部的特性确认,与连接飞机等的外板接头处和零件的“铆钉”相比,人工结构体在韧性方面表现尤为优异。这种结构有望用于飞机和汽车等的生产。

东京农工大学的新垣笃史副教授(生物工学)表示:“纤维层状结构位于凹凸部分是一种能提高韧性的绝妙设计。这种昆虫应该是在恶劣的环境中进化出了这些特征”。

研究团队由东京农工大学、美国加利福尼亚大学、普渡大学、劳伦斯伯克利国家实验室和德克萨斯大学组成。相关研究成果已于10月21日发布在英国科学期刊《自然》上。

日语原文

日文:JST Science Portal编辑部
中文:JST客观日本编辑部

专题网页