Вчені з'ясували, що за надзвичайну міцність жука відповідають конструктивні особливості його панцира. По-перше, у шва між надкрильями і нижньою частиною екзоскелета різна жорсткість, що дозволяє прогинатися без шкоди органам. По-друге, два зрослих надкрила з'єднані між собою за принципом паз-гребінь з кількома гребенями, шаровиста структура яких дозволяє не лопатися, а розшаровуватися, і за рахунок цього розподіляти навантаження. Стаття опублікована в.
Розробку техніки можна спростити, якщо скористатися готовими рішеннями, що вже існують в природі. Часом інженери роблять навіть зооподібних роботів, наприклад, механічного краба для дослідження морського дна, або робота-кальмара для допомоги океанологам. Найчастіше, однак, запозичують не цілий організм, а якийсь його орган або принцип дії. Так, мозок сарани, не дивлячись на примітивний пристрій, ефективно уникає зіткнень з сородичами в польоті, і інженери зробили електронний пристрій зі схожим принципом дії.
Броненосні жуки сімейства Zopherinae відрізняються дуже міцним панцирем, особливо «диявольський жук». Цей жук живе під корою дерев, і його можна прийняти за невеликий камінчик через нерівну і тверду спинку. Його панцир до того міцний, що не тільки захищає від хижаків, а й дозволяє пережити наїзд легкового автомобіля.
Хесус Рівера (Jesus Rivera) з Каліфорнійського університету і його колеги вирішили вивчити панцир і з'ясувати, чому він такий міцний. У першу чергу вчені заміряли, яке саме навантаження він може витримати. При здавлюванні зі спинки панцир витримує навантаження до 150 ньютонів (для порівняння, деякі люди можуть тиснути великим пальцем на вказівний з силою більше 60 ньютонів).
Потім дослідники проаналізували будову панцира: жук втратив здатність літати, а його надкрила зрослися між собою і з грудьми. Потенційно межі між різними ділянками панцира - це вразливе місце, але у шви навпаки роблять конструкцію більш надійною за рахунок диференційованої жорсткості. З'єднання надкрилів з грудьми змінюється по всій довжині тіла таким чином, що в районі життєво важливих органів досягає піку жорсткості, а близько менш важливих частинах тіла дозволяє панциру прогинатися без шкоди для шва, і, таким чином, перерозподіляти навантаження. У найбезпечнішому місці спинна частина екзоскелета не скріплена з грудної жорстко, а її зминання допомагає поглинати енергію ударів.
Два надкрилі пов'язані між собою нерозйомним з'єднанням паз-гребінь і віддалено нагадують те, як зчепляються пазли. Таке з'єднання характерне для багатьох жуків, але має дві ключові особливості. По-перше, у його спинного шва два гребені. Комп'ютерне моделювання показало, що збільшення числа гребенів дозволяє розподіляти навантаження більш рівномірно, і натурні експерименти з надрукованими на 3D-принтерах аналогічними конструкціями це підтвердили. По-друге, у гребенів шаровиста структура, але при надломі шари починають розходитися, залишаючись пов'язаними за допомогою волокон. Таким чином, шов не лопається, а поступово поступається, і з кожним відступом навантаження злегка зменшується, що дозволяє зберегти загальну цілісність панцира за рахунок невеликих пошкоджень.
Автори роботи вирішили перевірити, чи можна застосувати на практиці особливості будови цього надміцного жука. Вони виготовили кілька деталей з вуглепластику зі з'єднанням, схожим на спинний шов і порівняли його міцність з кіпелкою Hi-Lok, що застосовується в авіабудуванні. Вчені стверджують, що біоподібна конструкція витримує тиск на 20 мегапаскалей більше і здатна краще переживати пікові навантаження.
Від редактора
У тексті статті не описано подробиць порівняльних міцнісних випробувань. У будь-якому випадку, головною метою роботи було вивчити будову панцира жука, а не випробувати на практиці рішення, розроблені на його основі.
Метал, сталь і дерево залишаються основними конструкційними матеріалами по всьому світу, але інженери постійно шукають спосіб додатково поліпшити їх. Наприклад, губчастий метал з керамічним наповнювачем виявився настільки міцний, що не піддається різанню і звіренню. Інші вчені, своєю чергою, спробували збільшити міцність бамбука за допомогою мікрохвильової печі.