موطنها الأصلي في الموائل الصحراوية في جنوب كاليفورنيا ، تمتلك هذه الخنفساء الشيطانية هيكلًا خارجيًا يعد واحدًا من أقوى الهياكل وأكثرها مقاومة للتكسير المعروفة الموجودة في المملكة الحيوانية. قاد باحثو UCI مشروعًا لدراسة المكونات والبنى المسؤولة عن جعل المخلوق غير قابل للتدمير. الائتمان: David Kisailus / UCI
يكتشف علماء المواد بجامعة كاليفورنيا في إيرفين أسرار تصميم حشرة غير قابلة للتدمير تقريبًا.
تتمتع الخنفساء الحديدية الشيطانية في جنوب كاليفورنيا بهيكل خارجي شديد الصلابة ، حتى أنها يمكن أن تنجو من دهسها بواسطة سيارة.
مع واحدة من أكثر الأسماء إثارة للرهبة في مملكة الحيوان ، فإن الخنفساء الشيطانية هي حشرة هائلة. تحاول الطيور والسحالي والقوارض في كثير من الأحيان إعداد وجبة منها ولكنها نادرًا ما تنجح. دهسها بسيارة ، والحيوان يعيش.
يعتمد بقاء الخنفساء على عاملين رئيسيين: قدرتها على اللعب ميتًا بشكل مقنع والهيكل الخارجي الذي يعد واحدًا من أقوى الهياكل وأكثرها مقاومة للكسر المعروف وجودها في العالم البيولوجي. في ورقة نشرت اليوم في طبيعةكشف باحثون في جامعة كاليفورنيا وإرفين ومؤسسات أخرى عن المكونات المادية – ومخططاتها النانوية والميكروسكوبية – التي تجعل الكائن الحي غير قابل للتدمير ، مع توضيح كيف يمكن للمهندسين الاستفادة من هذه التصميمات.
قال المحقق الرئيسي والمؤلف المقابل ديفيد كيسيلوس ، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: “إن الحاوية الحديدية خنفساء أرضية ، لذا فهي ليست خفيفة الوزن وسريعة ولكنها مبنية إلى حد كبير مثل خزان صغير”. “هذا هو تكيفه: لا يمكن أن يطير بعيدًا ، لذلك يبقى فقط ويتيح لدروعه المصممة خصيصًا تحمل الإساءة حتى يستسلم المفترس.”
في موطنها الصحراوي في جنوب غرب الولايات المتحدة ، يمكن العثور على الخنفساء تحت الصخور والأشجار ، محصورة بين اللحاء والجذع – سبب آخر لضرورة أن يكون لها مظهر خارجي متين.
https://www.youtube.com/watch؟v=gDK0f5xCwd4
إن الخنفساء الشيطانية شديدة الصلابة ، ويمكنها أن تنجو من دهسها بواسطة سيارة تستخدم قوة تصل إلى 100 نيوتن. تعاون المهندسون من جامعة بوردو وجامعة كاليفورنيا في إيرفين لكشف أسرار الخنفساء. الائتمان: جامعة بوردو / إيرين إيسترلينج
علم المؤلف الرئيسي خيسوس ريفيرا ، طالب دراسات عليا في مختبر كيسيلوس ، لأول مرة عن هذه الكائنات في عام 2015 خلال زيارة لمتحف علم الحشرات الشهير في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد ، حيث كان يعمل هو وكيزيلوس في ذلك الوقت. جمعت ريفيرا الخنافس من مواقع حول حرم Inland Empire وأعادتها إلى مختبر Kisailus لإجراء اختبارات الضغط ، ومقارنة النتائج بتلك الأنواع الأخرى الأصلية في جنوب كاليفورنيا. ووجدوا أن الخنفساء الشيطانية يمكنها تحمل قوة تبلغ حوالي 39000 ضعف وزن جسمها. سيتعين على رجل يبلغ وزنه 200 رطل أن يتحمل الوزن الساحق البالغ 7.8 مليون رطل ليعادل هذا العمل الفذ.
من خلال إجراء سلسلة من التقييمات المجهرية والطيفية عالية الدقة ، علم ريفيرا وكيسايلوس أن سر الخطأ يكمن في التركيب المادي والهيكل الخارجي للهيكل الخارجي ، وعلى وجه التحديد ، إليترا. في الخنافس الهوائية ، elytra هي الشفرات الأمامية التي تفتح وتغلق لحماية أجنحة الطيران من البكتيريا والجفاف ومصادر الضرر الأخرى. تطورت elytra الحديدي لتصبح درعًا قويًا واقيًا.
يُظهر المقطع العرضي للخيط الإنسي ، حيث يلتقي نصفان من إيليترا الخنفساء الحديدية الشيطانية ، تكوين قطعة اللغز الذي يعد من بين مفاتيح المتانة المذهلة للحشرة. الائتمان: Jesus Rivera / UCI
أظهر التحليل الذي أجراه Kisailus و Rivera أن الإيليترا يتكون من طبقات من الكيتين ، مادة ليفية ، ومصفوفة بروتينية. بالتعاون مع مجموعة بقيادة أتسوشي أراكاكي وطالبه المتخرج ساتوشي موراتا ، وكلاهما من جامعة طوكيو للزراعة والتكنولوجيا ، قاموا بفحص التركيب الكيميائي للهيكل الخارجي لخنفساء طائرة أخف وزنا وقارنوه بتلك الخاصة بموضوعهم الأرضي. تحتوي الطبقة الخارجية للخنفساء الحديدية الشيطانية على تركيز أعلى بكثير من البروتين – حوالي 10 في المائة أكثر من حيث الوزن – وهو ما يقترح الباحثون أنه يساهم في تعزيز صلابة الإيليترا.
حقق الفريق أيضًا في هندسة الخيط الإنسي الذي يربط جزأين من elytra معًا ووجدوا أنه يشبه إلى حد كبير القطع المتشابكة من أحجية الصور المقطوعة. قام ريفيرا ببناء جهاز داخل مجهر إلكتروني لمراقبة كيفية أداء هذه الاتصالات تحت الضغط ، على غرار الطريقة التي قد تستجيب بها في الطبيعة. كشفت نتائج تجربته أنه ، بدلاً من الانجذاب عند منطقة “العنق” لهذه التشابكات ، فإن البنية المجهرية داخل شفرات الإيليترا تفسح المجال عن طريق التفكيك ، أو التكسير الطبقي.
قال كيسيلوس: “عندما تكسر قطعة أحجية ، تتوقع أن تنفصل عند العنق ، الجزء الرفيع”. لكننا لا نرى هذا النوع من الانقسام الكارثي مع هذا النوع من الخنافس. بدلاً من ذلك ، فإنه يفصل ، مما يوفر فشلًا أكثر رشاقة للهيكل “.
كشف الفحص المجهري الإضافي الذي أجرته ريفيرا أن الأسطح الخارجية لهذه الشفرات تتميز بمصفوفات من العناصر الشبيهة بالقضيب تسمى microtrichia والتي يعتقد العلماء أنها تعمل بمثابة منصات احتكاكية ، مما يوفر مقاومة للانزلاق.
أرسل Kisailus ريفيرا للعمل مع Dula Parkinson و Harold Barnard في Advanced Light Source في مختبر لورانس بيركلي الوطني ، حيث أجروا تجارب عالية الدقة لتحديد التغييرات داخل الهياكل في الوقت الفعلي باستخدام أشعة سينية قوية للغاية.
أكدت النتائج أنه أثناء الضغط ، فإن الخيط – بدلاً من أن ينكسر عند أنحف نقطة – ينفصل ببطء دون فشل ذريع. لقد تحققوا أيضًا من أن الهندسة ومكونات المواد وتجميعها ضرورية في جعل الهيكل الخارجي للخنفساء شديد الصلابة والقوة.
لإثبات ملاحظاتهم التجريبية بشكل أكبر ، استخدم ريفيرا والمؤلفان المشاركان مريم حسيني وديفيد ريستريبو – وكلاهما من مختبر بابلو زافاتيري في جامعة بوردو – تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء هياكل خاصة بهم من نفس التصميم. أجروا اختبارات كشفت أن الترتيب يوفر أقصى قدر من القوة والمتانة. أظهرت نماذج فريق بوردو أن الهندسة لا تتيح فقط تعشيقًا أقوى ، ولكن التصفيح يوفر واجهة أكثر موثوقية.
قال كيسيلوس إنه يرى وعدًا كبيرًا في الهيكل الخارجي للخنفساء الحديدية والأنظمة البيولوجية الأخرى للمواد الجديدة لإفادة البشرية. كان مختبره يصنع مواد مركبة متطورة معززة بالألياف بناءً على هذه الخصائص ، وهو يتصور تطوير طرق جديدة لدمج أجزاء الطائرات معًا دون استخدام المسامير التقليدية والمثبتات ، والتي يمثل كل منها نقطة ضغط في الهيكل.
قام فريقه ، بما في ذلك جامعة كاليفورنيا ريفرسايد ، دراغو فاسيلي ، بتقليد القطع البيضاوية المتشابكة للهيكل الخارجي للخنفساء الحديدية الشيطانية بالبلاستيك المقوى بألياف الكربون. لقد انضموا إلى مركب المحاكاة الحيوية الخاص بهم إلى أداة اقتران الألومنيوم وأجروا اختبارًا ميكانيكيًا لتحديد ما إذا كانت هناك أي مزايا مقابل مثبتات الفضاء القياسية في ربط المواد غير المتشابهة. من المؤكد أن العلماء وجدوا أن الهيكل المستوحى من الخنفساء كان أقوى وأصعب من السحابات الهندسية الحالية.
قال Kisailus: “هذه الدراسة تربط حقًا مجالات علم الأحياء والفيزياء والميكانيكا وعلوم المواد بالتطبيقات الهندسية ، والتي لا تراها عادةً في البحث”. “لحسن الحظ ، يمكّننا هذا البرنامج ، الذي ترعاه القوات الجوية ، حقًا من تشكيل هذه الفرق متعددة التخصصات التي ساعدت في ربط النقاط للوصول إلى هذا الاكتشاف الهام.”
اقرأ أسرار تصميم الحشرات التي يمكنها البقاء على قيد الحياة عند دهسها بالسيارة لمزيد من المعلومات حول هذا البحث.
المرجع: “تشديد آليات إليترا للخنفساء الشيطانية” بقلم جيسوس ريفيرا ومريم سادات حسيني وديفيد ريستريبو وساتوشي موراتا ودراجو فاسيلي وديلورث واي باركنسون وهارولد س. بارنارد وأتسوشي أراكاكي وبابلو زافاتيري وديفيد كيسيلوس ، 21 أكتوبر 2020، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2813-8
المشروع – الذي حصل على دعم من مكتب البحوث العلمية التابع للقوات الجوية الأمريكية ، ومكتب أبحاث الجيش الأمريكي ، ووزارة الطاقة الأمريكية ، ومعهد أبحاث الابتكار العالمي التابع لجامعة طوكيو للزراعة والتكنولوجيا – شمل أيضًا باحثين من جامعة تكساس في سان أنطونيو.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”