天然材料，比如存在于骨骼、牙齿和贝壳中的材料，通常具有传统工程材料无法比拟的特殊机械性能，比如强度、韧性和自愈合能力等特性。一直以来，科学家们希望可以从自然界中汲取灵感，研发出具有天然材料特性、可应用于实际生活中的结构复合材料。

但是，将异种材料（比如塑料和金属）结合到工程结构中仍然是一个很大的挑战，当前的主要方法是通过机械固定、传统焊接、粘接等方法来实现，但存在应力变形、暴露降解、韧性降低等问题。

如今，来自加州大学河滨分校（University of California，Riverside）的研究人员及其合作者的一项最新研究，或将推动受自然生物启发的复合材料研究与应用的整体发展。

而这一研究的最初灵感，竟是来自一只奇特的虫子——铁定甲虫（Phloeodes diabolicus）。

相关工作以“Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle”为题，于 10 月 21 日在顶级科学期刊《自然》（Nature）上在线发表。

（来源：Nature）

研究人员利用先进的显微镜、光谱技术和机械测试，在铁定甲虫的鞘翅（elytra）中央观察到了一连串形似拼图的联锁关节，这些关节的几何结构以及它们的层状微结构让铁定甲虫的外骨骼具备了极其出色的机械联锁和坚韧性，这就解释了为什么铁定甲虫的外骨骼如此坚硬。

为了测试这种几何结构作为强硬机械紧固件连接不同材料（如塑料和金属）的潜力，研究人员利用模拟铁定甲虫鞘翅特殊结构的金属复合材料制作了一系列接头，与常用的工程接头相比，基于这种特殊结构而设计的接头具有更大的强度和更好的韧性。

这一相关研究成果或将在航空航天等建筑和工程领域内具有重大的应用潜力和价值。

像拼图一样的支撑结构

铁定甲虫是一种陆生甲虫，身长约 2 厘米，像一个小型坦克，长得既不轻巧，爬得也不是很快，它善于装死，具有十分坚硬的外骨骼，可以承受大约 3．9 万倍其体重的重量（相当于一个 100 斤重的人承受 390 万斤物体的重量），比潜在捕食者产生的咬合力高出 10 倍，让它们难以下口，即使被汽车碾过都可以“毫发无损”。

“它不能飞行，所以它只是呆在那里，借助特别设计的盔甲承受伤害，直到捕食者放弃。” 论文作者之一 David Kisailus 说。

2015 年，论文作者之一 Jesus Rivera 在参观加州大学河滨分校昆虫博物馆时，第一次看到了这种丑陋又奇特的生物，他在校园的各个地点收集铁定甲虫，并将它们带回了 Kisailus 当时的实验室进行压缩测试，测试结果显示，铁定甲虫可以承受最大为 149 牛顿的力（约为其体重的 3．9 万倍）。

在此次研究中，Kisailus、Rivera 等人通过一系列高分辨率显微镜和光谱评估测试发现，铁定甲虫外骨骼“坚硬无比”的秘密在于其组成材料和特殊结构，尤其是它的鞘翅（对于可飞行的甲虫，鞘翅可以通过张开和闭合保护翅膀免受细菌、干燥和其他伤害，而铁定甲虫的鞘翅已进化成坚固的保护性盔甲）。

在与东京农工大学（Tokyo University of Agriculture and Technology）团队的合作中，研究人员对一种飞行甲虫外骨骼的化学成分进行了检测，并将其与铁定甲虫比较。测试结果显示，铁定甲虫的鞘翅由几丁质（又名“甲壳素”，是一种含氮的多糖类物质）、纤维物质和蛋白质基质组成，不含无机矿物质，且其外骨骼比其他昆虫厚得多。与飞行甲虫相比，铁定甲虫外骨骼的蛋白质含量明显更高（多于体重的 10％），而蛋白质含量的增加有助于增强铁定甲虫鞘翅的韧性。