Гибкий панцирь позволил броненосному жуку пережить наезд автомобиля

Ученые выяснили, что за необычайную прочность жука Nosoderma diabolicum отвечают конструктивные особенности его панциря. Во-первых, у шва между надкрыльями и нижней частью экзоскелета разная жесткость, что позволяет прогибаться без вреда органам. Во-вторых, два сросшихся надкрылья соединены между собой по принципу паз-гребень с несколькими гребнями, слоистая структура которых позволяет не лопаться, а расслаиваться, и за счет этого распределять нагрузку. Статья опубликована в Nature.

Разработку техники можно упростить, если воспользоваться готовыми решениями, уже существующими в природе. Порой инженеры делают даже зооподобных роботов, например, механического краба для исследования морского дна, или робота-кальмара для помощи океанологам. Зачастую, однако, заимствуют не целый организм, а какой-то его орган или принцип действия. Так, мозг саранчи, не смотря на примитивное устройство, эффективно избегает столкновений с сородичами в полете, и инженеры сделали электронное устройство с похожим принципом действия.

Броненосные жуки семейства Zopherinae отличаются очень прочным панцирем, особенно «дьявольский жук» Nosoderma diabolicum. Этот жук живет под корой деревьев, и его можно принять за небольшой камешек из-за неровной и твердой спинки. Его панцирь до того прочен, что не только защищает от хищников, но и позволяет пережить наезд легкового автомобиля.

Хесус Ривера (Jesus Rivera) из Калифорнийского университета и его коллеги решили изучить панцирь N. diabolicum и выяснить, почему он такой прочный. В первую очередь ученые замерили, какую именно нагрузку он может выдержать. При сдавливании со спинки панцирь выдерживает нагрузку до 150 ньютонов (для сравнения, немногие люди могут давить большим пальцем на указательный с силой больше 60 ньютонов).

Затем исследователи проанализировали строение панциря: жук утратил способность летать, а его надкрылья срослись между собой и с грудью. Потенциально границы между разными участками панциря — это уязвимое место, но у N. diabolicum швы наоборот делают конструкцию более надежной за счет дифференцированной жесткости. Соединение надкрыльев с грудью меняется по всей длине тела таким образом, что в районе жизненно важных органов достигает пика жесткости, а около менее важных частях тела позволяет панцирю прогибаться без ущерба для шва, и, таким образом, перераспределять нагрузку. В самом безопасном месте спинная часть экзоскелета не скреплена с грудной жестко, а ее сминание помогает поглощать энергию ударов.

Два надкрылья связаны между собой неразъемным соединением паз-гребень и отдаленно напоминают то, как сцепляются пазлы. Такое соединение характерно для многих жуков, но у N. diabolicum есть две ключевые особенности. Во-первых, у его спинного шва два гребня. Компьютерное моделирование показало, что увеличение числа гребней позволяет распределять нагрузку более равномерно, и натурные эксперименты с напечатанными на 3D-принтерах аналогичными конструкциями это подтвердили. Во-вторых, у гребней слоистая структура, но при надломе слои начинают расходиться, оставаясь связанными с помощью волокон. Таким образом, шов не лопается, а постепенно уступает, и с каждым отступлением нагрузка слегка уменьшается, что позволяет сохранить общую целостность панциря за счет небольших повреждений. 

Авторы работы решили проверить, можно ли применить на практике особенности строения этого сверхпрочного жука. Они изготовили несколько деталей из углепластика с соединением, похожим на спинной шов N. diabolicum и сравнили его прочность с защелкой Hi-Lok, применяемой в авиастроении. Ученые утверждают, что биоподобная конструкция выдерживает давление на 20 мегапаскалей больше и способна лучше переживать пиковые нагрузки. 

Металл, сталь и дерево остаются основными конструкционными материалами по всему миру, но инженеры постоянно ищут способ дополнительно улучшить их. Например, губчатый металл с керамическим наполнителем оказался настолько прочен, что не поддается резке и сверлению. Другие ученые, в свою очередь, попробовали увеличить прочность бамбука с помощью микроволновой печи.

Василий Зайцев