Diaboliškasis geležinis šarvuotis – vos apie 2 cm ilgio neskraidantis vabalas – geba išgyventi net tada, kai per jį pervažiuoja automobilis. Mokslininkus ir inžinierius labiausiai stebina ne vien kietas jo kiautas, o sudėtinga konstrukcija, leidžianti „šarvams“ sugerti smūgio energiją.
Kaip aprašo „ZME Science“, šio vabalo išorinis skeletas atlaiko jėgas, kurios sutraiškytų daugumą panašaus dydžio gyvių. Dėl to tyrėjai ėmė svarstyti, ar gamtoje rastus sprendimus būtų galima perkelti į transporto ir net orlaivių konstrukcijas.
Vabalas aptinkamas pietų Kalifornijos miškuose ir kitose vakarinės JAV dalyse. Kadangi jis nebeskraido, jo kieti priekinių sparnų dangalai (elytra) evoliuciškai tapo ne „sparnų apsauga“, o itin tvirtu šarvu, dengiančiu kūną.
Tyrimai rodo, kad vabalo stiprybės paslaptis slypi jungtyse: vietoje paprasto siūlės tipo sujungimo čia veikia tarpusavyje „susikabinantys“ elementai, o esant ekstremaliam spaudimui sluoksniai gali šiek tiek atsiskirti ir taip slopinti lūžį. Būtent toks „kontroliuojamas gedimas“ inžinieriams atrodo ypač vertingas.
„Dėlionės“ siūlė, kuri neišyra
Vabalo šarvų dvi kietos dalys susijungia per centrinę siūlę, einančią per nugarą. Ji nėra tiesi – ją sudaro daugybė tarpusavyje susijungiančių iškyšų, primenančių dėlionės detales, kurios padeda kiautui nesuskilti į dvi dalis.
2020 metais Kalifornijos universiteto Irvaine ir Purdue universiteto mokslininkai vabalo sandarą tyrė mikroskopija, rentgeno vaizdinimu ir mechaniniais bandymais. Be to, jie naudojo kompiuterines simuliacijas ir 3D spausdintus modelius, kad geriau suprastų, kurios detalės yra svarbiausios tvirtumui.
Suspaudimo bandymuose vabalo išorinis skeletas atlaikė maždaug 150 niutonų jėgą iki pradėjo skilti – tai prilyginta apie 39 000 kartų didesniam krūviui nei paties vabalo kūno svoris. Tyrėjų teigimu, ant neasfaltuoto paviršiaus per riedančią automobilio padangą vabalą galėtų veikti maždaug 100 niutonų jėga.
Kodėl svarbu ne tik tvirtumas, bet ir „tąsa“
Mokslininkai pabrėžia skirtumą tarp stiprumo ir tąsumo: medžiaga gali būti labai tvirta, bet trūkti staiga ir trapiai. Šarvuoto vabalo konstrukcija sukurta taip, kad artėjant prie lūžio ribos ji neatšoka vienu momentu – dalis sluoksnių gali atsiskirti palaipsniui (delaminacija), sugerdami energiją.
Taip smūgio ar spaudimo energija išsklaidoma, o žala tampa labiau „valdoma“, užuot virtusi staigiu katastrofiniu skilimu. Tyrėjai taip pat nurodo, kad vabalo elytra turi sluoksniuotą vidinę architektūrą ir yra turtinga baltymų, o mineralų jose nėra – išskirtinės savybės pasiekiamos vien organinėmis medžiagomis ir jų išdėstymu.
Kaip tai gali praversti aviacijoje
Inžinierių dėmesį patraukė tai, kad didelė dalis konstrukcijų problemų kyla jungtyse – ypač kai reikia sujungti skirtingas medžiagas, pavyzdžiui, metalus ir kompozitus. Tradiciniai tvirtinimo elementai gali pridėti svorio ir sukurti įtempimų koncentracijas, kurios ilgainiui virsta įtrūkimais.
2020 metų tyrimo autoriai pademonstravo vabalo įkvėpto sprendimo potencialą: jie sukūrė anglies pluošto kompozitinį tvirtinimo elementą, paremtą „dėlionės“ principu. Bandymuose jis buvo tokio pat stiprumo kaip įprastas aviacijoje naudojamas tvirtinimas, tačiau tąsesnis – tai reiškia, kad iki gedimo galėjo sugerti daugiau energijos.
Vabalo principai pritaikyti ir kitoms sritims. 2023 metais paskelbtame tyrime, įkvėptame tiek vabalo egzoskeleto, tiek baltauodegių elnių kaukolių tarpusavyje besijungiančių struktūrų, mokslininkai siekė padidinti keramikos jungčių atsparumą. Nurodyta, kad kai kuriuose bandymuose tokie sprendimai leido sugerti gerokai daugiau energijos ir atitolinti staigų lūžį.
Naujesnė kryptis – kompozitų remontas. 2026 metų tyrime aprašyta vabalo elytra įkvėpta „susikabinanti“ remonto sąsaja, skirta pažeistoms kompozitinėms medžiagoms, naudojamoms ir orlaiviuose. Laboratoriniuose tempimo bandymuose tokie sprendimai atlaikė 30,47 proc. didesnę didžiausią jėgą nei tradiciniai „žiedinio laipto“ tipo remontai, o lenkimo bandymuose fiksuotas 8,65 proc. pagerėjimas.
Vis dėlto patys tyrėjai pabrėžia, kad tai dar nereiškia, jog orlaiviai netrukus bus „apšarvuoti“ kaip vabalai. Tokiems sprendimams reikalingi tolesni bandymai ir patikra realiomis eksploatavimo sąlygomis, tačiau gamtos sukurta „gedimo be suirimo“ logika jau dabar tampa vertinga inžinerijos įkvėpimo kryptimi.