VIC-3D 在仿生学中的应用

2020年10月21日发表在《自然》杂志上的一篇论文指出，生活在印第安纳州西拉斐特市的一种铁甲虫能从汽车的碾压中幸免于难，对此工程师们十分震惊，正在研究它是如何做到的。研究过程中工程师们深受启发，是否可在具有相同特性的复合材料上进行新的开发？

加利福尼亚大学（UCI）和普渡大学联合研究发现，这种铁甲虫的超强韧性在于它像盔甲一样的鞘翅，它们在腹部相交连成一条线（称为缝线）。昆虫的鞘翅（即昆虫的前翅，全部骨化，坚硬，不能用以飞行，覆盖在膜质的后翅腹部上，起保护作用，称“鞘翅”）可以保护翅膀并促进飞行。但这种铁甲虫不会飞行，它不需要将鞘翅分开用来保护翅膀，因此在进化过程中它的鞘翅已经完美融合在一起形成了坚硬的防御盔甲。

为了揭示铁甲虫鞘翅的构造机理，由 UCI 教授 David Kisailus 领导的团队首先测试了它外骨骼的抗压极限。通过原位加载测试发现，在鞘翅破裂之前，这种全身乌黑表面凹凸不平身长约2cm，体重约7g的铁甲虫可承受约150N 的作用力 — 至少是其体重的3.9万倍，测试的其他陆生甲虫甚至无法承受其一半的力。

通过 CT 扫描，对涉及的各种结构成分进行了表征。发现铁甲虫鞘翅缝合连接处呈曲线拼图状并不是完全封死，可活动留有缝隙并能分层，因此可以防止铁甲虫的外骨骼在受到巨大的力量下突然衰竭。普渡大学的研究人员对这些实验进行跟踪分析，通过广泛的计算机模拟运用 3D 打印技术制作出了这种机制，以便更好地了解它们在拯救铁甲虫生命中的作用。

经研究表明，在受压下（例如汽车轮胎碾压）铁甲虫鞘翅缝合处提供了两道防护。首先，鞘翅曲线拼图状分层的互连方式不仅可以相互锁定还能缓解掉部分外部压力。其次，鞘翅是千层结构，互连方式都是曲线拼图状；每一层中间都有细微的缝隙可以为铁甲虫减少受到的冲击力。多层的身体构造使它可以缓冲掉任何外来的力，并保持身体的不变形。即使在铁甲虫的鞘翅上施加最大的力，“分层” 也可以使相互连接的部分以更轻柔地方式从缝合线中分解开起到缓冲的作用。

虽然至今还不完全清楚这种铁甲虫到底用了什么办法在“车祸”中幸存下来，但是了解到的这些构造机理已经能够解决机械中的一些疲劳问题。“ 一项积极的工程挑战是将不同的材料结合在一起，而又不限制其支撑载荷的能力。令人难以置信的是铁甲虫具有规避这些限制的策略。” 德克萨斯大学圣安东尼奥分校的助理教授 David Restrepo 说，他曾在 Zavattieri 研究组担任该博士后研究员。

例如，在飞机的燃气轮机中，金属和复合材料通过机械紧固件连接在一起。该紧固件不仅增加了重量还引入了可能导致破裂和腐蚀的应力。这些紧固件最终会降低系统的性能，因此需要经常更换。但是，铁甲虫的 “界面缝合线” 可以帮助解决这些问题。UCI 研究人员模仿铁甲虫的 “ 界面缝合线 ”构造，制造了一种碳纤维复合材料紧固件。普渡大学的研究人员经过载荷测试发现，这种扣件与标准航空扣件一样坚固并且更加坚韧耐用。

这项研究表明，我们可以通过以耗散能量的方式使坚固的脆性材料转变为既坚固又坚韧的材料。Zavattieri 说：“ 这就是大自然的鬼斧神工使那铁甲虫能做到的事情。”