Skalbaggens skelett kan ge säkrare flyg

Den taggiga svartbaggen Phloeodes diabolicus är vanlig på den amerikanska västkusten och är ökänd för sitt notoriskt hållbara exoskelett – ett skelett som sitter utanpå kroppen istället för inuti som hos människor. Skalbaggen klarar av att stampas på och till och med att bli överkörd.

– En insektsforskare vi träffade visade upp flera böjda stålnålar som gått bet på att penetrera exoskelettet. När en död skalbagge ska bevaras och visas upp in en monter måste de därför förborra ett hål, säger David Kisailus, professor i materialvetenskap vid University of California, och en av forskarna bakom studien, huvudförfattare är hans doktorand, Jesus Rivera.

Efter fem års arbete med att imitera exoskelettets tålighet och omsätta det i andra sammanhang, ett forskningsområde kallat biomimetik, har forskarna nu publicerat sina resultat i Nature.

Har pansar istället för vingar

Phloeodes diabolicus kan inte flyga. Istället har skåran mellan de två skyddande täckvingarna svetsats samman. I genomskärning visade sig halvorna haka i varandra med ett pusselliknande mönster. Sådana fogar är starka, och när brott uppstår sker det ofta genom att pusselbitens ”hals” knäcks.

– Men när vi applicerade kraft och tittade på skalbaggen i ett elektronmikroskop skedde brottet istället inuti pusselbitens tjockare del, säger David Kisailus.

Förklaringen är strukturen i skalets material, som består av kitin (en aminopolysackarid) och proteiner ordnade i flera lager av sammanflätade små fibrer. Strukturen kallas för ett laminat, och principen är densamma som när man sammanflätar kolfiber för att tillverka cykelramar.

– Materialet och skalets design gör tillsammans att tyngden fördelas väldigt jämnt över skalbaggens exoskelett, vilket ger det dess tålighet.

I labbet gav skalet inte vika förrän det utsattes för 39.000 gånger skalbaggens kroppsvikt. För en människa på 80 kilo skulle det motsvara att krossas under 30 blåvalar. När den pusselliknande fogen väl gick sönder skedde det gradvis.

– Det beror på den laminerade strukturen, där enskilda fibrer kan glida förbi varandra några i taget när fogen utsätts för kraft. Processen kallas delaminering och gör fogen mycket seg, säger David Kisailus.

Sega fogar är mer pålitliga

Ju segare ett material är, desto mer energi kan det absorbera innan det går sönder. En porslinstallrik är till exempel relativt stark men består av en homogen struktur som inte alls är seg. När man väl får atomerna att röra på sig genom att böja tallriken med tillräckligt mycket kraft splittras den direkt. Vore tallriken även seg skulle den kunna deformeras mer innan den gick sönder.

Fördelen med gradvisa brott är att de lättare kan övervakas och förutspås, vilket minimerar risken för obehagliga överraskningar i konstruktioner där hållbarhet är en fråga om liv och död.

– Skalbaggens fog rämnar gradvis och elegant, inte katastrofalt, och just pålitligheten är den stora implikationen av våra fynd. Om man exempelvis transporterar 300 personer i ett plan på 10 000 meters höjd är katastrofala fel i fogar det sista man vill ha, säger David Kisailus.

Än är det långt kvar till kommersialisering, men i ett lovande första steg demonstrerar forskarteamet en egen pusselformad fog av kolfiber, byggd efter skalbaggens design. I jämförelse med en nit av titan kallad för en Hi-Lok som ofta används för att sammanfoga delar i flygplan, var pusselfogen lika stark, men dubbelt så seg.

Förutom att fortsätta utveckla sin egen foglösning vill forskarna titta närmre på exoskelettets materiella struktur och undersöka om det kan ge uppslag till material ännu starkare än kolfiber. Labbet jobbar även med biomimetik kopplat till andra djur – bland annat forskar de om mantisräkans klor, som kan utdela slag med kraft nog att öppna musslor och snäckor.