都說蟑螂是殺不死的小強，現在，昆蟲界真正頑強的角色出現了，就是下面那隻，看上去一副 “武裝色霸氣”，又黑又硬的傢伙。

形如其名，這是一隻惡魔鐵甲蟲，生活在美國西海岸乾旱地區，雖然不會飛，但它以其硬殼著稱，受到外力刺激還會裝死，最長自然壽命可達八年。

它在遭到人類踩踏乃至汽車碾壓後，仍能倖存下來，密實的外殼使它能支撐 149 牛頓的力，大約等於 15 千克施壓，食肉動物或者鳥類面對它都無從下嘴，不僅磕牙影響口感，而且吞下去就像生嚥了一顆石頭子。

圖｜惡魔鐵甲蟲（來源：維基百科）

如果換算成一個人類，這隻昆蟲的抗壓性相當於往一個重 200 磅的人身上放兩架飛機的重量而不被壓死，在壓力實驗中，科學家們發現，它可以承受大約 3.9 萬倍於自身體重的壓力。

僅 2 釐米長的惡魔鐵甲蟲就像一個六條腿的小坦克，不得不讓科學家們好奇，到底什麼原因讓它如此頑強？

剛柔並濟的裝甲結構

日前，加州大學爾灣分校材料科學家大衛基薩盧斯（David Kisailus）領導團隊，通過用 CT 掃描、顯微鏡圖像、三維打印模型和計算機模擬分析鐵甲蟲裝甲，終於揭示了其高強度的祕密，相關論文發表在《自然》雜誌上。

“我們印象深刻。尤其是瞭解到這種甲蟲外殼不包含任何特殊礦物質，只是有機成分構成時。” 大衛基薩盧斯說道。

圖｜一輛汽車碾壓了惡魔鐵甲蟲，它毫髮無損（來源：Nature）

天然材料，例如在骨骼、牙齒和貝殼中發現的材料，通常具有特殊的機械性能，能以傳統工程材料無法達到的方式將強度、韌性和自愈能力等性能結合起來。

這些優異的性能部分歸因於材料的層次，更重要的是，不同尺度的材料之間的契合結構導致了協同強韌化機制。因此，許多人都致力於發展受自然啓發的層次結構複合材料。

在對惡魔鐵甲蟲的研究中，科學家發現其外殼角質層中，也是由比較常見的多糖 α- 甲殼素的分子與蛋白質結合形成纖維，纖維聚集成扭曲的螺旋狀排列，這種扭曲排列的纖維堆積，使角質層具有多層微觀結構，形成一定的堅固性和能量吸收。

但甲殼質角質層的成分性質，仍不足以解釋其超級抗壓的特性。

因爲科學家在兩個鋼結構壓力器之間，壓扁了好幾個它的同類，驚奇地發現惡魔鐵甲蟲最難壓扁，它的身體在 149 N 的最大外力下才發生斷裂，平均壓力載荷爲 133±16 N，約爲其自身體重的 3.9 萬倍，這大約是潛在捕食者所產生的咬合力的 10 倍，甚至能頂彎針頭，而它的幾個相似同類，只能承受小於 68N 的平均峯值。

圖｜對惡魔鐵甲蟲的測試觀察實驗（來源：Nature）

成年人拇指和食指按在一起產生的力約爲 43.0±18.4N，我們能輕鬆地捏死一些甲蟲，除了惡魔鐵甲蟲。

如果這些甲蟲的外殼材質差不多，那其他能解釋的原因，便是由材料構成的抗壓結構不同了。於是，科學家對惡魔鐵甲蟲的身體進行了橫切面分析，顯微鏡下，祕密終於揭曉。

在這個昆蟲小坦克體內，兩方面關鍵的微觀特徵幫助其承受了強大擠壓力。

第一方面，是其外骨骼的上半部分和下半部分之間的一系列連接，在邊緣上有一些凸脊鎖契合在一起，而且接觸面呈現出三種不同類型的側向支撐，將腹側角質層連接到鞘翅上：叉指式、閉鎖式和獨立式。叉指關節在壓縮下表現最堅硬、最結實，而閉鎖和獨立式的支撐使外骨骼在壓縮時可以發生一些形變，緩衝壓力。

圖｜鐵甲蟲主要身體部位堅固的接頭和接口（來源：Nature）

第二個關鍵特徵，是其背部剛柔並濟的接頭或縫合結構，其沿甲蟲背部中線延伸，連接起左側和右側厚實的裝甲。

科學家將這裏的一系列凸起物，稱爲 “刀片”，它們可以像拼圖玩具一樣裝配在一起，將兩側緊密相連。而且這些刀片包含由蛋白質粘合在一起的組織層，具有較高的抗損傷性以及自我修復性。

當用一定的力擠壓甲蟲時，每個 “刀片” 層之間的蛋白質膠中會形成微小的裂紋，但是科學家表示，那些小的裂紋，類似於可自愈的 “骨折”，這些刀片能夠有效吸收衝擊而不會完全折斷，保護體內的軟組織。

圖｜惡魔鐵甲蟲背部裝甲之間的拼裝結構（來源：Nature）

研究人員認爲，上層堅固而具有的交叉狀支撐物的堅固結構，可用於保護甲蟲的重要器官不被壓碎；在上下鏈接部分，柔順的閉鎖式和獨立式的支撐物則允許外骨骼變形，類似於可調高低的底盤 “懸架” 一樣，從而使甲蟲能夠擠入岩石或樹皮的縫隙中。

類似的變形適應能力，可啓發設計一些可伸縮變形的機器人，這種機器人可以擠進狹小的空間並在其中移動，可以用來在災後倒塌的建築物中搜尋倖存者。惡魔鐵甲蟲功能多樣的支撐結構，也可能給裝甲車輛提供新設計思路。

在宏觀尺度上，外骨骼特殊結合方式產生了不同的側向支撐，也形成了保護重要器官的剛性梯度，並在整個身體上均勻分佈載荷。

甲蟲外殼與材料工程學

研究人員效仿這種方式，順帶研究了 “刀片” 的幾何結構在數量、微觀特徵等方面如何影響縫合線的機械性能，他們使用 3D 打印模型來進行計算模擬和機械測試。結果發現，與其他陸生甲蟲常見的半球形連接結構相比，惡魔鐵甲蟲具備的橢圓形 “刀片” 縫合結構更堅硬和牢固。

而且，在這項實驗中，由兩個 “刀片” 組成的 3D 打印縫合結構，可以兼顧柔性與剛性，而帶有四個 “刀片” 的縫合線在斷裂前應力分佈、剛度和峯值載荷似乎最大，因此，縫合結構的優化，需要涉及到韌性、剛度和抗斷裂性的多維權衡。

圖｜一隻惡魔鐵甲蟲樣本（來源：Nature）

對於惡魔鐵甲蟲來說，不得不感嘆，小小的身體裏，自然進化的結果是如此偉大，放棄飛行能力的它，讓自身裝甲的進化強於大多數同類。

由於缺乏逃離昇天的能力，這種沙漠昆蟲具有極強的抗衝擊性和抗擠壓性，且兼顧複雜和靈活的身體結構調整。

延伸到工程結構領域，目前連接塑料和金屬等不同材料仍然是一個挑戰。機械緊固、常規焊接和粘合是目前比較常用的操作方式，但這些方法中的每一種都有其自身的問題，例如在環境暴露下形成應力集中或退化，進而很快降低強度並導致過早失效。

惡魔鐵甲蟲的身體構造會帶來新的啓發，一些仿生設計其實已經在發生。

圖｜甲蟲結構曾被用於裝甲車設計（來源：sciencecodex）

2016 年，美國國防承包商 BAE Systems 宣佈了一種新型的可彎曲懸架系統，其靈感來便自於一種甲蟲，它可以使軍用車輛能夠經受住地雷爆炸的襲擊。

此外，在飛機的發動機渦扇結構中，金屬和複合材料通過機械緊固件連接在一起，這些緊固件不僅增加了重量，也引入了可能導致破裂和腐蝕的應力。

基於這項甲蟲研究，研究人員構建了一系列具有橢圓幾何和層壓微觀結構的仿生複合材料，並將其與標準航空緊固件（例如，用於連接鋁 - 碳複合結構的 Hi-Lok 緊固件）進行了比較。

圖｜用甲蟲結構經驗改進飛機渦扇 （來源：Nature）

結果發現，從惡魔鐵甲蟲身上汲取到的結構 “專利”，縫合線的複合材料葉片比當下工程緊固件性能（約 18±0.73 MPa）略強，約爲 19±1.08 MPa，不過這種直接效仿的複合材料葉片內，層壓微觀結構還是表現出了漸進的失效，所以仍有待優化。

所以，在考慮應用之前，科研人員仍需對層壓結構和刀片契合進行進一步評估，例如，表徵其在壓縮、彎曲和扭轉下的性能，並發現它們隨着時間推移是如何變得疲勞的。

下一步仍需通過多尺度建模和實驗來探索，使用人工智能和機器學習等方法可能會加快應用試驗，讓這些結構方式與目前可用的材料結合，形成更高的工程機械性能。

圖｜對甲蟲的微觀掃描圖（來源：UCI）

自然進化中蘊藏無限靈感

論文作者之一，大衛基薩盧斯在採訪中補充說：“鑑於大自然生物在數億年的時間裏一直在做優化和進化實驗，人類擁有足夠的資源爲下一代材料和結構設計提供靈感。”“這項研究將生物學、物理學、力學和材料科學等領域的知識與工程應用聯繫起來，這些新發現通常是我們看不到的。”

倫敦自然歷史博物館的甲蟲策展人馬克斯巴克萊（Max Barclay）是一位甲蟲專家。他認爲，儘管許多甲蟲都可以逃脫威脅，但這種不會飛的惡魔鐵甲蟲必須靠堅強才能生存。大多數甲蟲只能活幾周 ，但惡魔鐵甲蟲卻能活七到八年。

“這種甲蟲和其他甲蟲一樣在地球上生活了上千年，因此它們必須掌握其他短命同類所不具備的特殊方式，來保護自己免受滅頂之災。”

人類再一次向大自然拜師學藝，對於惡魔鐵甲蟲 “裝甲套件” 的研究成果，可能會激發新的、更堅固的設計方案，除了改進裝甲車和飛機，也有望用在未來新一代防彈衣、建築、橋樑等設計上。

最後，感謝實驗室裏犧牲的惡魔鐵甲蟲們爲人類科技進步所做的貢獻。