Con uno de los nombres más impresionantes del reino animal, el diabólico escarabajo acorazado es un insecto formidable. Aves, los lagartos y los roedores con frecuencia tratan de comerse, pero rara vez lo consiguen. Atropella con un coche y la criatura sigue viva.

La supervivencia del escarabajo depende de dos factores clave:su capacidad para hacerse el muerto de manera convincente y un exoesqueleto que es uno de los más duros. la mayoría de las estructuras resistentes al aplastamiento que se conocen en el mundo biológico. En un artículo publicado hoy en Naturaleza , investigadores de la Universidad de California, Irvine y otras instituciones revelan los componentes materiales, y sus planos a nano y microescala, que hacen que el organismo sea tan indestructible, al mismo tiempo que demuestra cómo los ingenieros pueden beneficiarse de estos diseños.

"El acorazado es un escarabajo terrestre, por lo que no es liviano y rápido, sino que está construido más como un pequeño tanque, "dijo el investigador principal y autor correspondiente David Kisailus, Profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UCI. "Esa es su adaptación:no puede volar así que simplemente se queda quieto y deja que su armadura especialmente diseñada reciba el abuso hasta que el depredador se rinda ".

En su hábitat desértico en el suroeste de EE. UU., el escarabajo se puede encontrar debajo de las rocas y en los árboles, apretado entre la corteza y el tronco, otra razón por la que necesita tener un exterior duradero.

Autor principal Jesús Rivera, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Kisailus, se enteró por primera vez de estos organismos en 2015 durante una visita al famoso museo de entomología en UC Riverside, donde él y Kisailus estaban trabajando en ese momento. Rivera recogió los escarabajos de sitios alrededor del campus de Inland Empire y los llevó al laboratorio de Kisailus para realizar pruebas de compresión. comparando los resultados con los de otras especies nativas del sur de California. Descubrieron que el diabólico escarabajo acorazado puede soportar una fuerza de aproximadamente 39, 000 veces su peso corporal. Un hombre de 200 libras tendría que soportar el aplastante peso de 7.8 millones de libras para igualar esta hazaña.

Realización de una serie de evaluaciones microscópicas y espectroscópicas de alta resolución, Rivera y Kisailus se enteraron de que el secreto del error radica en la composición material y la arquitectura de su exoesqueleto. específicamente, su elytra. En escarabajos aéreos, los élitros son las hojas de las alas delanteras que se abren y cierran para proteger las alas de vuelo de las bacterias, desecación y otras fuentes de daño. Los élitros del acorazado han evolucionado para convertirse en un sólido, Escudo protector.

El análisis de Kisailus y Rivera mostró que los élitros consisten en capas de quitina, un material fibroso, y una matriz proteica. En colaboración con un grupo liderado por Atsushi Arakaki y su estudiante graduado Satoshi Murata, ambos de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio, examinaron la composición química del exoesqueleto de un escarabajo volador más ligero y la compararon con la de su sujeto terrestre. La capa exterior del diabólico escarabajo acorazado tiene una concentración significativamente más alta de proteína, aproximadamente un 10 por ciento más en peso, que los investigadores sugieren que contribuye a la mayor dureza de los élitros.

El equipo también investigó la geometría de la sutura medial que une las dos partes de los élitros y descubrió que se parece mucho a las piezas entrelazadas de un rompecabezas. Rivera construyó un dispositivo dentro de un microscopio electrónico para observar cómo funcionan estas conexiones bajo compresión, similar a cómo podrían responder en la naturaleza. Los resultados de su experimento revelaron que, en lugar de romper en la región del "cuello" de estos enclavamientos, la microestructura dentro de las hojas de los élitros cede a través de la delaminación, o fracturamiento en capas.

"Cuando rompes una pieza del rompecabezas, esperas que se separe por el cuello, la parte más delgada, "Dijo Kisailus." Pero no vemos ese tipo de división catastrófica con esta especie de escarabajo. En lugar de, se delamina, proporcionando una falla más elegante de la estructura ".

Un examen microscópico adicional realizado por Rivera reveló que las superficies exteriores de estas palas presentan conjuntos de elementos en forma de varilla llamados microtriquias que los científicos creen que actúan como almohadillas de fricción. proporcionando resistencia al deslizamiento.

Kisailus envió a Rivera a trabajar con Dula Parkinson y Harold Barnard en la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. donde realizaron experimentos de alta resolución para identificar los cambios dentro de las estructuras en tiempo real utilizando rayos X extremadamente potentes.

Los resultados confirmaron que durante la compresión, la sutura, en lugar de romperse en el punto más delgado, se deslamina lentamente sin un fallo catastrófico. También validaron que la geometría, los componentes del material y su ensamblaje son fundamentales para hacer que el exoesqueleto del escarabajo sea tan resistente y robusto.

Para fundamentar aún más sus observaciones experimentales, Rivera y los coautores Maryam Hosseini y David Restrepo, ambos del laboratorio de Pablo Zavattieri en la Universidad Purdue, emplearon técnicas de impresión 3-D para crear sus propias estructuras del mismo diseño. Hicieron pruebas que revelaron que la disposición proporciona la máxima cantidad de resistencia y durabilidad. Los modelos del equipo de Purdue demostraron que no solo la geometría permite un enclavamiento más fuerte, pero la laminación proporciona una interfaz más confiable.

Kisailus dijo que ve una gran promesa en el exoesqueleto del escarabajo acorazado y otros sistemas biológicos de nuevas sustancias que beneficien a la humanidad. Su laboratorio ha avanzado, materiales compuestos reforzados con fibra basados ​​en estas características, y prevé el desarrollo de nuevas formas de fusionar segmentos de aviones sin el uso de remaches y sujetadores tradicionales, cada uno de los cuales representa un punto de tensión en la estructura.

Su equipo, incluyendo al estudiante universitario de UC Riverside Drago Vasile, imitó la elíptica, piezas entrelazadas del exoesqueleto del diabólico escarabajo acorazado con plásticos reforzados con fibra de carbono. Unieron su compuesto biomimético a un acoplamiento de aluminio y realizaron pruebas mecánicas para determinar si había alguna ventaja en comparación con los sujetadores aeroespaciales estándar para unir materiales diferentes. Bastante seguro, los científicos descubrieron que la estructura inspirada en el escarabajo era más fuerte y resistente que los sujetadores de ingeniería actuales.

"Este estudio realmente une los campos de la biología, física, mecánica y ciencia de los materiales hacia aplicaciones de ingeniería, que no suele ver en la investigación, "Dijo Kisailus." Afortunadamente, este programa, que está patrocinado por la Fuerza Aérea, realmente nos permite formar estos equipos multidisciplinarios que ayudaron a conectar los puntos para conducir a este importante descubrimiento ".