Секреты сверхпрочного броненосного жука подсказали путь к более прочным деталям самолета.

Фото: goingslo/Creative Commons

Транспорт
Инструменты
Шрифты

Для инженеров, разрабатывающих современные сверхпрочные материалы, стоит обратить внимание на мир природы в поисках вдохновения, а дьявольский броненосный жук Nosoderma diabolicum - неплохое начало для этого. Уникальное строение хитинового панциря позволяет ему пережить нагрузку в 39 000 раз больше его собственного веса. Американские журналисты сопоставляют это с человеком, выдерживающим вес 40 танков, а английские — с весом около 280 двухэтажных автобусов. Это существо может выжить, будучи сбитым автомобилем, и теперь ученые раскрыли некоторые секреты этой невероятной прочности, которая, по их словам, открывает путь для нового поколения материалов с аналогичными характеристиками.

Исследование было проведено инженерами Университета Пердью и сосредоточено на невероятно прочном экзоскелете (панцире) дьявольского броненосного жука, одного из самых твердых среди всех членистоногих. Ранее мы видели, как эти конструкции могут вдохновлять системы подвески для военной техники, которые могут вернуться в форму после деформации, а теперь команда обнаружила новые детали того, как существо поглощает такие огромные удары.

Используя зажимные стальные пластины и компьютерную томографию, команда наблюдала за работой панциря жука при возрастающих давлениях, обнаружив, что он может выдерживать нагрузки, по крайней мере, в 39000 раз превышающие собственный вес тела до разрушения, что равно приложенной силе около 150 ньютонов. Далее команда использовала компьютерное моделирование и 3D-печатные модели, чтобы выделить детальные структуры внутри панциря, что подчеркнуло роль соединительного шва, проходящего по всей длине брюшка жука.

Этот шов лежит между двумя видоизменёнными крыльями жука, называемыми надкрыльями, хотя у этих жуков нет крыльев. Вместо этого шов соединяет надкрылья и лопасти панциря под ними, помогая равномерно распределять силу по телу жука с помощью двух сложных механизмов.

У броненосного жука есть лопасти экзоскелета, которые соединяются вместе, как кусочки пазла. Фото: Purdue University/Maryam Hosseini and Pablo Zavattieri

Лопасти панциря сцепляются друг с другом, как кусочки пазла, что предотвращает их срыв с места под действием большой силы. Между тем шовный материал и лопасти разделяются на слои. Оба этих механизма вместе работают, чтобы распределять нагрузку по жуку и избегать смертельных переломов на его шее.

Одна из областей, в которой команда надеется применить эти знания, - это газовые турбины самолетов, где металлы и композитные материалы необходимо комбинировать с использованием мощных механических креплений, которые со временем могут быть причиной разрушения и напряжения.

Инженеры создали композитное крепление из углеродного волокна на основе структуры экзоскелета жука и провели испытания под нагрузкой, обнаружив, что оно такое же прочное и значительно более жесткое, чем крепления в аэрокосмической отрасли, используемые сегодня.

«Эта работа показывает, что мы можем перейти от использования прочных, хрупких материалов к материалам, которые могут быть как жесткими, так и стойкими, прочными, рассеивая энергию при разрушении», - говорит автор исследования Пабло Заваттьери. «Это то, что природа позволила делать дьявольскому броненосному жуку».

Ученые считают, что смогут использовать такой дизайн не только в авиационной, но и автомобильной и спортивной отраслях».

Исследование было опубликовано в журнале Nature, а видео ниже предоставляет обзор исследования.

Источник: New Atlas / Purdue University