Ez a bogár szinte mindent túlél, a mérnökök örömére

Az ördögi páncélos bogár, vagyis a Phloeodes diabolicus a saját tömegénél legalább 39 ezerszer nagyobb tömeg nyomását is elviseli, mielőtt megsérülne és összetörne a szárnyfedője.

Egy amerikai-japán kutatócsoport munkája kapcsán számolt be, a valóban szinte ördögi képességekkel rendelkező bogár vizsgálatáról a Purdue Egyetem, a bogár ugyanis új anyagok és mérnöki megoldások kifejlesztését inspirálja. Az új anyagok rugalmasak és kemények is lesznek egyidejűleg, és például hosszabb élettartamú repülőgép-gázturbinák készülhetnek majd belőle. A kutatás eredménye a Nature hasábjain látott napvilágot.

Alapesetben egy bogár szárnyfedői az alatta összehajtogatva megbúvó szárnyakat védik, azonban az USA nyugati partvidékén honos Phloeodes diabolicus nem tud repülni, ezért menekülés helyett más módon védekezik a rátámadó ragadozók ellen. Az állat gombákkal táplálkozik és külsőre fakéregre vagy kődarabra hasonlít, veszély esetén halottnak tetteti magát. Emellett azonban elképesztően ellenálló is a ragadozók harapásával szemben, sőt, még azt s túléli, ha autóval áthajtanak rajta.

A bogár két szárnyfedőjének találkozásánál rejlik a rendkívüli ellenállóságának titka: a szárnyfedők különleges találkozási vonala teszi rugalmassá a szerkezetet. A két szárnyfedő a kirakós játék szomszédos darabjaihoz hasonlóan kapcsolódik össze, ráadásul a kapcsolódó felületek nem egyetlen darabból, hanem vékony rétegek sokaságából (mint egy rétegelt lemez) épülnek fel.
Amikor nyomás nehezedik a bogárra, a különleges felépítésű szerkezet segítségével a nyomás a teljes testen eloszlik, s nem koncentrálódik egy helyre (amely általában a bogár nyaka), ennek köszönhető, hogy nem zúzódik össze a nyomás hatására. A kapcsolódási vonal mentén a szárnyfedő belső rétegei először egymástól távolodnak el, ez igen sok nyúlási lehetőséggel jár, majd, amikor már túl nagy a terhelés, csak akkor szakad szét a kirakós két szomszédos elemét utánzó kapcsolat.

A szárnyfedők találkozása a kirakós jellegű kapcsolódással.

Forrás: Purdue University

A Purdue Egyetem szakemberei 3 dimenziós számítógépes modellt és 3D nyomtatott „bogarat” is készítettek a vizsgálatokhoz, s ezekkel pontosan kimérték, hogy miként reagálnak ezek a találkozási vonalak a nyomásra. A rugalmas nyúlásnak köszönhetően a speciális szárnyfedő rengeteg plusz időt nyújt a menekülésre. Az egyelőre nem ismert, hogy a bogár miként „gyógyul fel” egy autóbalesetből, ám ettől függetlenül is rengeteg emberi, mérnöki problémára jelent kiváló megoldást az általa használt mechanizmus.

A szerkezetnek először a rétegei távolodnak el egymástól, vagyis rugalmasan nyúlik, és nem törik terhelés hatására.

Forrás: Purdue University /Maryam Hosseini

„Különleges kihívás a mérnökök számára, hogy két anyagot összekapcsoljanak anélkül, hogy azok terhelhetősége csökkenne ezzel” – mondta David Restrepo, a Texasi Egyetem adjunktusa, a kutatás egyik résztvevője.
A repülők gázturbináiban például a fémek és kompozit anyagok mechanikus rögzítő elemek segítségével kapcsolhatók egybe, azonban ezek az elemek plusz tömeget és sérülési lehetőséget rejtenek magukban. „Épp ezért ezek a rögzítők nemcsak rontják a működés hatásfokát, hanem rendszeresen cserélni is kell őket. Azonban a páncélos bogár által használt módszerrel tartósabb kapcsolódást érhetünk el, és ráadásul megjósolható, hogy hol következnek be a mechanikai hibák” – tette hozzá Maryam Hosseini, aki még doktoranduszként dolgozott a kutatócsoporttal.
A Kaliforniai Egyetem (Irvine) kutatói, akik szintén részt vettek a vizsgálatokban, olyan szénszálas kompozit rögzítő elemet készítettek, amely a páncélos bogártól ellesett trükkön alapul. A Purdue Egyetem kutatói terheléses vizsgálat alá vették ezt az elemet, és ebből kiderült, hogy ez ugyanolyan erősen tart, mint a hagyományosak, azonban jóval ellenállóbb.

„A kutatás rávilágított arra, hogy áttérhetünk az erős, ám törékeny anyagok használatáról az erős, és rugalmas, az energiát elnyelő anyagokéra. A természet ezt hozta létre a páncélos bogár esetében” – tette hozzá Pablo Zavattieri professzor, a kutatás egyik vezetője.