第1个回答 2022-06-19
在北美西部的沙漠地区，生活着一种外观极为丑陋的甲虫。
它们长得黑不溜秋、疙里疙瘩、干干巴巴、麻麻赖赖，一点儿都不圆润，看上去如同来自外星的邪恶虫族。
好在它们的个头很小，成虫的平均体长只有2.5厘米——跟一只成年蟑螂差不多大。
见到如此丑陋而又如此渺小的虫子从眼前爬过，相信不少人都会心生厌恶，恨不得抬腿就是一个降维打击，一脚把它跺成个平平整整的二维抽象创意图形。
然而你如果真的这样做了，便会发现自己仿佛一脚跺在了石子儿上，不仅硌得慌，还无法伤他分毫，只能眼睁睁地看着它抖一抖尘土，毫发无损地扬长而去，俗称：攻击性不高，侮辱性极强！
事实上，别说踩它一脚了， 加州大学尔湾分校 （UCI）的材料学家们在研究这种甲虫的外壳时，曾驾驶凯美瑞轿车在一只样本身上来回碾压了两次，它竟也令人惊讶地存活了下来，简直堪称昆虫界的钢铁侠。
没错，这种甲虫坚硬得不可思议！
据伦敦自然史博物馆的昆虫学家 马克斯·巴克莱 （Max Barclay）介绍：当博物馆或收藏家们试图把这些甲虫做成标本时，昆虫针总是不争气地“屈膝跪倒”在它们坚硬的外壳上，因此必须先用电钻刺穿这些甲虫的身体，才能把它们固定在展板上。
倘若你亲身体会过它们的超强防御力，一定也会大感惊讶，并匪夷所思：凭什么一只小小的甲虫，能承受如此巨大的重压呢？莫非这些虫子是吃天山雪莲长大的，金钟罩已经精进到了第十层不成？
或许正是鉴于它们坚不可摧的“盔甲”和其貌不扬的外表，生物学家们给这种甲虫安排了一个十分贴切的学名——
emmm……这大概是唯一学名里带有“恶魔”这种字眼的生物了。
铁定甲虫是 鞘翅目/拟步甲科/铁定甲虫属 里，19种素以坚硬行天涯的虫子的统称，而恶魔铁定甲虫是其中外骨骼最坚硬的，也不知道晒干磨碎后，三碗水煎成一碗喝下去，能不能治疗骨质酥松。
鞘翅目就是我们俗称的“ 甲虫 ”，是昆虫纲中数量和种类最庞大的目，更是在整个动物界中占了所有物种的25%。它们最大的特点是骨骼长在体外，保护着柔弱的身体，前翅也进化成了两片坚硬的 鞘翅 ，能将仍然具有飞行功能的膜状后翅收入其中，加以保护。
也就是说，甲虫的“壳”实际上是它们的骨骼，叫 外骨骼 ，其主要成分是一种叫做 几丁质 （Chitin）的有机聚合物——这一点铁定甲虫也不例外。这也就意味着，恶魔铁锭甲虫的“盔甲”，在材料上与别的甲虫没有显著区别，并不是什么奇奇怪怪的瓦坎达振金。
然而，一般的甲虫无论有着多么厚实的外骨骼，也难以抵御一个成年人的踩踏，更别说汽车的碾压了，因此铁定甲虫那神奇的超能力，自然而然地引起了科学家们的广泛关注和研究。
毕竟，在材料几乎相同的情况下，它的骨骼强度却远高于别的甲虫，如果作为仿生技术运用到建筑及航天领域，那得多香啊。
正因如此，加州大学的材料学家们才会把它们捉回去，用脚踩、用车轮碾、用机器压……
结果不压不要紧，一压就把研究团队惊呆了——他们的领导人 戴维·基塞卢斯 （David Kisailus）表示：在压力测试中，恶魔铁定甲虫足足承受住了150牛顿的压力，是其自身体重的 39000倍 ，那就相当于一个人肩负着大约40辆艾布拉姆斯主战坦克的重担。
或者说，39000个妹纸同时压在你的身上……就问你怕不怕？
那么，究竟是什么原因使它们拥有如此强大的防御力呢？
为了揭开这谜团，研究团队采取 微计算机断层扫描3D成像技术 (microCT)，用X射线对恶魔铁定甲虫给予了由内而外的关怀——这项技术能分析并创建出分辨率精细到几微米的计算机图像。
随后，他们又用3D打印机重塑了恶魔铁定甲虫的外壳模型，才终于找到了确切的答案。
首先需要一提的是，绝大多数甲虫的鞘翅（前翅）都是一对“剪刀门”，只要打开就能露出后翅振翅高飞了，但对于恶魔铁定甲虫而言，天空却是遥不可及的梦。尽管它们的鞘翅仍然是左右两片，可中间的接缝被锁死了，鞘翅边缘也同样与身体锁在了一起——这是它们如此坚硬的重要因素之一。
所以，就不要去问“这么牛逼，它咋不上天”这种问题了——上帝锁住了它的翅膀，它自己都分不开。
换言之，恶魔铁定甲虫的超强防御力是牺牲了飞行能力才换来的，它们纯粹就是一辆“微型生物坦克”，只能在地上跑。
不过，尽管分不开，它们的两片鞘翅并没有进化为一个整体，仍然是相互独立的，于是问题来了： 为什么两片独立的鞘翅，在汽车的重压之下都不会分裂呢？
这正是问题的关键所在，用研究人员的话来说：它们的鞘翅以一种 非凡的互锁结构 连接在一起，以至于需要极大的力量才能使它们裂开。
这种“非凡的结构”，不仅能把它的鞘翅牢牢地固定起来，更重要的是，它们在受到外部压力时，应力传递不会在接缝处中断，而是会均匀地分布到全身——这是它们无比坚硬的重要因素之二。
也就是说，恶魔铁甲虫的外骨骼是一套结构巧妙、性能优异的“复合装甲”，能凭借优异的机械性能将局部受到的压力分摊到全身，从而减轻受到的伤害。
这种方式一般被武林人士称为“接化发”，讲究个化劲儿，一旦掌握了，二百多斤的英国大力士，都握不动你的一个手指头！
更别说让汽车压一下了。
但恶魔铁定甲虫肯定没有练过浑元形意太极，它们是凭一种结构做到的这一点，这种结构被研究人员形容为“ 类似于拼图 ”。
上图是恶魔铁定甲虫鞘翅的结构受力分析，看上去确实挺像两片拼图的，可实际上，它们的鞘翅边缘具有大量细小的这种具有韧性的结构，与其说像拼图，倒不如说像拉链更贴切一些——并且，是好几层拉链。
你应该知道，拉链就属于互锁结构，一旦被拉上，要想用蛮力扯开是相当困难的，几层拉链叠加在一起的承受力就更不用说了。
此外，多层结构的另一大好处是，当遇到极大的压力濒临分裂时，还能通过分层剥离、缓慢变形的双重保护机制近一步消耗掉外力——这是整体骨骼所不具有的性能，也是恶魔铁定甲虫如此耐压的关键所在。
恶魔铁定甲虫的外骨骼上共有三处这样的接缝，将它们的外壳分为了三块，而这种互锁结构又将三块独立的骨骼牢牢地连接在了一起，当受到挤压时，外力会被分布在接缝处的大量互锁结构消耗掉。正因如此，它们才能轻松抵抗人类的踩踏和汽车的碾压。
搞清楚这一点之后，材料学家们就开始进一步寻思，如何把恶魔铁定甲虫的外骨骼结构运用到人类的工程技术上了，譬如借此方式来提升航空及航天材料的机械强度，或者军事设施的抗冲击性。
事实上，研究恶魔铁定甲虫的外骨骼，本身就是美国空军斥资800万美元资助的计划项目之一，该项目的主旨就是把自然界那些奇奇怪怪的生物特性运用到现实领域，比如皮皮虾的超音速拳头，以及大角羊那个怼天怼地怼太阳都不会脑震荡的脑袋。
这些玩意儿能为军方研发耐冲击材料提供灵感，所以美军当然也会对恶魔铁定甲虫的超级盔甲垂涎欲滴了。不过，加州大学的这项研究成果也并不仅限于军事用途，航天领域同样受益匪浅。
美国普渡大学土木工程学教授 塞巴提耶里 (Pablo Zavattieri)对此表示：“对于航天工业领域而言，如何连接两个完全不同的材质是一门学问，比如说现在打造涡轮喷射引擎时，会使用螺丝、螺母、螺杆这些金属固件来组装零件，但这会增加额外的重量或压力，导致物件结构受损、影响其功能性。”
“我们或许能将以往使用的强而脆的材料，替换为能在断裂时耗散能量而既有强度、又有韧性的新型材料。”——材料学家们如是说。
但不知你们有没有发现一个问题——这个所谓的“非凡的互锁结构”，不就是咱们中国的老祖宗们玩剩下的东西吗？
原来，这个非凡的结构单独看像拼图，整体看像拉链，可实际上，却是传说中的榫卯。