Con bọ này có lớp vỏ bền hơn vật liệu làm máy bay, gần như 'không thể phá hủy'

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature mới đây, các nhà nghiên cứu đã làm sáng tỏ bí mật về khả năng chống nghiền nát đáng kinh ngạc của loài bọ cánh cứng có tên Ironclad Beetles, thuộc phân họ cánh cứng Zopherinae.

Nhìn thoáng qua, con bọ này có vẻ ngoài khá ấn tượng: một bộ xương ngoài tối màu, gập ghềnh trông hơi giống một tảng đá bị cháy. 

Nhưng ẩn giấu bên dưới vẻ ngoài thô kệch của nó là một vài kỳ quan về cấu trúc, được xây dựng bởi quá trình tiến hóa. 

Nhiều loài bọ cánh cứng có thể bay và đôi cánh của chúng được bao bọc bên trong elytra, một lớp vỏ cứng có tác dụng bảo vệ. 

Bay là một cơ chế phòng thủ tuyệt vời cho bọ cánh cứng, cho phép chúng thoát khỏi những kẻ săn mồi. Nhưng Ironclad Beetles không có cánh và chung dựa vào bộ xương ngoài của mình để giữ an toàn.

Bọ cánh cứng Ironclad Beetles.

"Bọ cánh cứng là một loài bọ trên cạn, vì vậy nó không nhẹ và nhanh nhưng được chế tạo giống một chiếc xe tăng nhỏ hơn", David Kisailus, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học California tại Irvine, cũng là đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. 

"Bộ xương ngoài của nó cứng đến nỗi chúng thậm chí còn gây ra một số vấn đề cho các nhà côn trùng học trong việc ghim các kim sắt vào tiêu bản để trưng bày".

Để nghiên cứu những "chiếc xe tăng tí hon" này, một thành viên của nhóm nghiên cứu, Jesus Rivera, đã bắt những con bọ và mang chúng vào phòng thí nghiệm. 

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra bộ xương ngoài của nó có thể chịu được lực khoảng 150 Newton - gấp 39.000 lần trọng lượng cơ thể của nó. Con số này cao gấp đôi so với khả năng của ba loài bộ cánh cứng nổi bật khác.

Nhưng tại sao bộ xương ngoài đặc biệt này lại mạnh mẽ tới như vậy?

Bằng cách sử dụng các tấm thép chịu lực và chụp CT, nhóm nghiên cứu đã quan sát bộ xương ngoài của con bọ dưới áp lực ngày càng tăng, phát hiện ra rằng nó có thể chịu tải gấp ít nhất 39.000 lần trọng lượng cơ thể trước khi bị gãy - tương đương với một lực tác dụng khoảng 150 Newton.

Từ đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng máy tính và các mô hình in 3D để cô lập các cấu trúc chi tiết bên trong bộ xương ngoài, làm nổi bật vai trò của một đường khâu liên kết chạy theo chiều dài của bụng con bọ cánh cứng.

Cách các lưỡi xương ngoài của con bọ ghép lại với nhau như các mảnh ghép hình.

Đường khâu này nằm giữa hai lớp cánh của bọ cánh cứng, được gọi là elytra, mặc dù con vật không có cánh. 

Nên thay vào đó, đường khâu kết nối các lưỡi dao bằng elytra và khung xương ngoài ở bên dưới, giúp phân bổ lực đồng đều trên cơ thể con bọ thông qua hai cơ chế phức tạp.

Các lưỡi của bộ xương ngoài tự khóa vào nhau giống như các mảnh ghép của trò chơi ghép hình, giúp chúng không bị kéo ra khỏi vị trí dưới một lực lớn. 

Trong khi đó, chỉ khâu và các lưỡi dao chia thành nhiều lớp. Cả hai cơ chế này cùng hoạt động để truyền tải trọng mà con bọ đang phải chịu lên khắp cơ thể, giúp nó tránh được việc bị gãy xương cổ và gây tử vong.

Ngoài ra, thành phần hóa học của lớp elytra trên con bọ này hơi khác so với bọ cánh cứng biết bay. Nó dường như có hàm lượng protein trộn vào cao hơn, có thể làm tăng độ dẻo dai.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng khám phá mới của mình sẽ có ích trong việc áp dụng các cải tiến đối với tuabin khí của máy bay, nơi kim loại và vật liệu composite cần được kết hợp bằng cách sử dụng các chốt cơ học để tránh gây đứt gãy và chịu được áp lực cao theo thời gian.

Các kỹ sư cũng đã thử tạo ra một dây buộc bằng vật liệu tổng hợp và sợi carbon dựa trên cấu trúc khung ngoài của con bọ cánh cứng. 

Khi thực hiện các thử nghiệm tải, nó cho thấy độ chắc chắn và cứng hơn đáng kể so với loại dây buộc được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ hiện nay.

"Công trình nghiên cứu này cho thấy rằng chúng ta có thể chuyển từ việc sử dụng các vật liệu cứng, giòn sang các vật liệu vừa bền vừa cứng bằng cách tiêu tán năng lượng khi chúng vỡ ra", tác giả nghiên cứu Pablo Zavattieri cho biết. 

"Đó là những gì thiên nhiên đã cho phép loài bọ cánh cứng ma quỷ này làm được."