Kỳ lạ loại bọ cánh cứng như sắt, xe cán không chết, đạp không bể

Loài "bọ sắt" Phloeodes diabolicus. Image: David Kisalius

Giờ đây, các nhà khoa học đã biết tại sao vỏ cánh ngoài, được gọi là elytra, của những con bọ này lại rất cứng rắn: chúng được tạo thành từ một loạt các bộ phận xếp lồng vào nhau một cách trơn tru; hình dạng và cấu trúc bên trong của thiết kế "ghép hình" này làm tăng sức mạnh bộ "áo giáp" của nó.

Bọ cánh cứng Phloeodes diabolicus có chiều dài khoảng 0,6 đến 1 inch (15 đến 25 mm), và được tìm thấy trong rừng ở phía Tây Bắc Mỹ, nơi chúng sống dưới vỏ cây.

Mặc dù tổ tiên của chúng có thể bay, nhưng bọ cánh cứng này đã mất khả năng bay từ lâu, và cánh ngoài của chúng được hợp nhất với nhau, tạo thành một lá chắn chống nghiền.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các bài kiểm tra độ nén lên bọ cánh cứng để xem những chiếc khiên đó có thể chịu được lực bao nhiêu trước khi nứt vỡ. Họ phát hiện ra rằng những con bọ "sắt" có thể chống lại lực liên tục lên tới 149 Newton, hay 33 lbs (15 kg).

Theo nghiên cứu, con số này gấp khoảng 39.000 lần trọng lượng cơ thể của bọ cánh cứng và gấp đôi lực chịu đựng của các loài bọ cánh cứng trên cạn khác, theo nghiên cứu.

Cơ chế "ghép hình"

Phân tích kính hiển vi về mặt cắt của bộ xương ngoài cho thấy cấu trúc hỗ trợ bên khiến một số bộ phận của cánh ngoài cứng hơn những bộ phận khác, để phân bổ trọng lượng đồng đều trên lưng bọ cánh cứng và bảo vệ các cơ quan của nó. Và sự gia cố thêm đến từ đường nối nơi cánh hợp nhất với nhau.

Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng trong họ hàng bay của bọ cánh cứng, rãnh elytra kết hợp với nhau trong "thiết kế lưỡi và rãnh", cho phép chúng mở, đóng và nhả cánh dưới một cách dễ dàng để bay.

Nhưng ở loài bọ cánh cứng này, các elytra hợp nhất khớp với nhau như những mảnh ghép trong trò chơi ghép hình dọc theo chiều dài bụng của côn trùng. Các phần nhô ra của các mảnh ghép vào nhau này, được gọi là lưỡi, cũng phân phối ứng suất trên bộ xương ngoài, giúp nó không bị nứt.

Mặt cắt ngang của loài "bọ sắt" cho thấy cơ chế "ghép hình" của nó. (Image credit: David Kisalius)

Khi các nhà nghiên cứu in mẫu 3D để kiểm tra độ bền của các kết nối ghép hình, họ nhận thấy rằng nơi ghép có năm lưỡi là cứng nhất và có thể chịu tải nặng hơn.

Các nhà khoa học cũng phát hiện các vi cấu trúc phân lớp trong mặt cắt ngang của các lưỡi dao giúp chuyển hướng ứng suất ra khỏi các phần dễ bị tổn thương nhất, bảo vệ "cổ" hẹp của các mảnh ghép lồng vào nhau khỏi bị gãy và thực sự khiến các mảnh ghép lại với nhau an toàn hơn.

Tiết lộ kiến trúc sinh học làm cho bộ xương ngoài của bọ cánh cứng gần như không thể chạm tới có thể giúp các kỹ sư thiết kế cấu trúc chịu va đập tốt hơn và các nhà nghiên cứu đưa điều này vào thử nghiệm với thiết kế in 3D của riêng họ.

Các nhà khoa học viết trong nghiên cứu: “Chúng tôi chứng minh điều này bằng cách tạo ra các đường khâu lồng vào nhau từ vật liệu tổng hợp phỏng sinh học cho thấy độ dẻo dai tăng lên đáng kể so với khớp kỹ thuật được sử dụng thường xuyên”.

Vinh Trang