Раскрыт секрет "дьявольского жука", выдерживающего наезд автомобиля

Жук вида P. diabolicus выдерживает даже наезд автомобиля.
Фото Jesus Rivera/Kisailus Biomimetics and Nanostructured Materials Lab/University Of California, Irvine.

Учёные раскрыли секрет необычайной природной прочности панциря жуков вида Phloeodes diabolicus. Этих насекомых не сможет раздавить не только зазевавшийся человек, но даже случайно наехавший автомобиль.

Позаимствовав у эволюции это поразительное техническое решение, инженеры теперь смогут создавать сверхпрочные конструкции.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

Жук вида Phloeodes diabolicus (он же Nosoderma diabolicum) внешне ничем не примечателен. Он имеет размеры 1,5–2,5 сантиметра, живёт под корой деревьев и не умеет летать. При виде опасности это создание, как и многие другие насекомые, притворяется мёртвым.

Чтобы оценить эту букашку по достоинству, нужно попытаться её проткнуть или раздавить. P. diabolicus относится к семейству (по другой классификации, подсемейству) Zopheridae, или жуков-броненосцев. Они отличаются необычайно твёрдым хитиновым панцирем. Но P. diabolicus выделяется даже из этого ряда. Не зря он носит видовое название diabolicus – "дьявольский".

Этого жука не в силах раздавить даже очень сильный человек. Более того, насекомое выдерживает наезд легкового автомобиля на грунтовой дороге (что показано в приведённом ниже видеоролике).

Конечно, когда машина проезжает по жуку, её вес распределён по четырём довольно широким колёсам. При этом только крошечная часть одного колеса соприкасается с насекомым. Поэтому членистоногое принимает на себя силу лишь в 100 ньютонов (вес десятикилограммового груза). Но разве и эта цифра не впечатляет? Представьте себе десятилитровое ведро воды, не опирающееся ни на что, кроме миниатюрного жука.

Зачем насекомому подобная стойкость? Ответ прост: это прекрасная защита от хищников, пытающихся его съесть.

Но для учёных интереснее другое: что придаёт броне "дьявольского жука" такую неслыханную прочность? Авторы нового исследования нашли ответ на этот вопрос.

Для начала экспериментаторы проверили, какую силу нажатия способно выдержать это животное. Оказалось, что предел прочности особей вида P. diabolicus – около 150 ньютонов. Это в полтора раза больше, чем при наезде автомобиля, и в 39 тысяч раз больше веса самого жука.

Установив этот впечатляющий факт, учёные пристально изучили строение тела "дьявольских жуков". Особенно их интересовал стык между надкрыльями.

Напомним, что надкрылья у жуков – это жёсткие видоизменённые крылья. Они служат защитной оболочкой для брюшка (отдел тела насекомых, расположенный за головой и грудью). По всей длине брюшка жука пролегает так называемый шов – стык двух надкрылий.

Каждый, кому доводилось раздавить какого-нибудь жука, замечал, что при этом его надкрылья расходятся в стороны по шву. Это естественно: надкрылья обычно не срастаются друг с другом, а просто соприкасаются. И, как гласит пословица, где тонко, там и рвётся (точнее, в данном случае расходится по стыку). Отодвинуть надкрылья друг от друга куда легче, чем сломать одно из них. Так и у сделанных человеком предметов самое уязвимое место – стыки, швы и прочие соединения.

Однако у P. diabolicus надкрылья сцеплены друг с другом буквально намертво. Они не расходятся даже под очень большим давлением.

Использовав тонкие методы микроскопии, исследователи выяснили структуру шва. Оказалось, что края надкрылий имеют сложную структуру. Они вкладываются друг в друга, как кусочки пазла, а не просто прилегают друг к другу, как два листа бумаги.

Надкрылья необычного жука соединены как детали пазла.
Иллюстрация Purdue University/Maryam Hosseini, Pablo Zavattieri.

Особая форма этих выпуклостей и впадин, а также их количество (в среднем пять у одного жука) обеспечивает чрезвычайно прочное соединение. И даже когда шов уже не выдерживает давления, надкрылья расходятся постепенно, рассеивая приложенную энергию и до последнего защищая жизненно важные органы жука.

Учёные создали модель шва между надкрыльями P. diabolicus, напечатав нужные детали из углеродного волокна на 3D-принтере. Испытания показали, что подсмотренная у жука "застёжка" очень эффективна. Она скрепляет детали не хуже соединений, применяемых в космической промышленности.

Исследователи надеются, что теперь ноу-хау эволюции найдёт широкое применение в технике. Инженеры давно ищут способ эффективно скреплять детали из разнородных материалов (например, металлические с пластиковыми). Для этого есть несколько методов, но все они имеют свои недостатки. Подобные "соединения несоединимого" остаются ахиллесовой пятой конструкций. Возможно, подсмотренное у невзрачного жука техническое решение позволит решить эту проблему.