David Kisailus / UCI
Vous pouvez accidentellement piétiner le coléoptère diabolique en cuir de fer et il ne bronchera même pas. Allez plus loin – roulez dessus dans votre voiture – et cela ne causera aucun problème à la créature non plus. Son exosquelette est l’un des plus résistants du règne animal. Et les scientifiques croient maintenant savoir pourquoi.
Dans une étude publiée mercredi dans la revue Nature, des chercheurs ont découvert les secrets de l’étonnante résistance à l’écrasement du coléoptère diabolique ironclad et ont démontré comment de nouveaux matériaux ultra-résistants peuvent tirer parti de la biologie du coléoptère.
En un coup d’œil, le scarabée semble impressionnant: un exosquelette sombre et bosselé qui ressemble un peu à une roche carbonisée. Mais sous son extérieur banal se cachent quelques merveilles structurelles, construites par l’évolution. De nombreuses espèces de coléoptères peuvent voler et leurs ailes sont enfermées dans des élytres, une coquille protectrice et résistante. Le vol est un excellent mécanisme défensif pour les coléoptères, leur permettant d’échapper aux prédateurs, mais le cuirassé n’a pas d’ailes et fait régulièrement le mort, comptant sur son exosquelette pour le garder en sécurité.
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« Le cuirassé est un coléoptère terrestre, il n’est donc pas léger et rapide, mais construit plutôt comme un petit réservoir », a déclaré David Kisailus, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université de Californie à Irvine et co-auteur de l’étude, dans une sortie. L’exosquelette du coléoptère est si difficile qu’il a même posé des problèmes aux entomologistes qui espèrent les afficher – il est difficile de passer une épingle à travers le cuir.
Les deux élytres du scarabée de fer diabolique fusionnent ensemble dans une suture enroulée (encerclé)
Jésus Rivera / UCI
Pour étudier les minuscules réservoirs, un membre de l’équipe de recherche, Jesus Rivera, a capturé des coléoptères et les a ramenés au laboratoire. Premièrement, les chercheurs ont découvert que l’exosquelette du coléoptère pouvait résister à environ 150 newtons de force, soit 39000 fois son poids corporel. Trois autres espèces de coléoptères terrestres n’étaient qu’à moitié moins résistantes.
Mais pourquoi cet exosquelette particulier est-il tellement plus fort? L’équipe de recherche a examiné le coléoptère à l’aide d’une technique d’imagerie 3D appelée tomographie par micro-ordinateur, qui fonctionne comme une radiographie pour tout l’organisme. Ils se concentrèrent sur les élytres de l’ironclad.
Il peut sembler inhabituel pour le cuirassé d’avoir des élytres. Après tout, c’est un coléoptère terrestre qui ne peut pas voler. Mais il a évolué à partir d’un coléoptère qui, à un moment donné, pourrait, et ses élytres sont essentiels à la force de son exosquelette. Ils ont fusionné de la manière la plus remarquable, créant une suture sinueuse et tournoyante.
Les chercheurs le décrivent comme des morceaux de puzzle, se connectant ensemble. Verrouillez deux pièces ensemble et le point de défaillance probable est au «cou» de la pièce de puzzle. Mais en étudiant la suture sous un microscope à haute puissance et en utilisant des simulations informatiques, l’équipe n’a constaté aucune défaillance catastrophique. La suture a semblé tenir, transférant le stress à travers toute la région, plutôt que de se fissurer. C’est important – cela protège le cou du scarabée
De plus, la composition chimique des élytres cuirassés est légèrement différente de celle d’un scarabée volant. Il semble avoir une concentration plus élevée de protéines mélangées, ce qui pourrait augmenter la ténacité de l’insecte.
Les chercheurs sont allés plus loin et ont examiné comment cette géométrie d’exosquelette pourrait permettre le développement de matériaux plus résistants. Ils ont tiré les leçons de la suture du coléoptère et ont créé des pièces de puzzle en fibre de carbone pour tester la résistance mécanique dans une application du monde réel – des attaches utilisées dans l’ingénierie aérospatiale. Les pièces de puzzle qui imitaient l’ironclad ont donné les meilleurs résultats.
«Ce travail montre que nous pourrons peut-être passer de l’utilisation de matériaux solides et cassants à des matériaux qui peuvent être à la fois solides et résistants en dissipant l’énergie à mesure qu’ils se cassent», a déclaré Pablo Zavattieri, ingénieur civil à l’université Purdue et co-auteur étude.
