Avec l'un des noms les plus impressionnants du règne animal, le scarabée diabolique à toute épreuve est un insecte redoutable. Des oiseaux, les lézards et les rongeurs essaient fréquemment d'en faire un repas mais réussissent rarement. Écrasez-le avec une voiture, et la créature vit.

La survie du scarabée dépend de deux facteurs clés :sa capacité à faire le mort de manière convaincante et un exosquelette qui est l'un des plus résistants, structures les plus résistantes à l'écrasement connues dans le monde biologique. Dans un article publié aujourd'hui dans La nature , chercheurs de l'Université de Californie, Irvine et d'autres institutions révèlent les composants matériels - et leurs plans à l'échelle nanométrique et microscopique - qui rendent l'organisme si indestructible, tout en démontrant comment les ingénieurs peuvent bénéficier de ces conceptions.

"L'ironclad est un scarabée terrestre, donc ce n'est pas léger et rapide mais construit plutôt comme un petit réservoir, " a déclaré le chercheur principal et auteur correspondant David Kisailus, Professeur UCI de science et ingénierie des matériaux. "C'est son adaptation :il ne peut pas s'envoler, il reste donc en place et laisse son armure spécialement conçue supporter les abus jusqu'à ce que le prédateur abandonne. »

Dans son habitat désertique du sud-ouest des États-Unis, le coléoptère peut être trouvé sous les rochers et dans les arbres, coincé entre l'écorce et le tronc - une autre raison pour laquelle il doit avoir un extérieur durable.

Auteur principal Jesus Rivera, un étudiant diplômé du laboratoire de Kisailus, a découvert ces organismes pour la première fois en 2015 lors d'une visite au célèbre musée d'entomologie de l'UC Riverside, où lui et Kisailus travaillaient à l'époque. Rivera a collecté les coléoptères sur des sites autour du campus de l'Inland Empire et les a ramenés au laboratoire de Kisailus pour effectuer des tests de compression, en comparant les résultats à ceux d'autres espèces indigènes du sud de la Californie. Ils ont découvert que le scarabée diabolique à toute épreuve peut résister à une force d'environ 39, 000 fois son poids corporel. Un homme de 200 livres devrait supporter le poids écrasant de 7,8 millions de livres pour égaler cet exploit.

Mener une série d'évaluations microscopiques et spectroscopiques à haute résolution, Rivera et Kisailus ont appris que le secret de l'insecte réside dans la composition matérielle et l'architecture de son exosquelette, Plus précisément, ses élytres. Chez les coléoptères aériens, les élytres sont les pales des ailes antérieures qui s'ouvrent et se ferment pour protéger les ailes de vol des bactéries, la dessiccation et d'autres sources de dommages. Les élytres de l'ironclad ont évolué pour devenir un solide, bouclier protecteur.

L'analyse de Kisailus et Rivera a montré que les élytres sont constitués de couches de chitine, un matériau fibreux, et une matrice protéique. En collaboration avec un groupe dirigé par Atsushi Arakaki et son étudiant diplômé Satoshi Murata, tous deux de l'Université d'agriculture et de technologie de Tokyo, ils ont examiné la composition chimique de l'exosquelette d'un scarabée volant plus léger et l'ont comparée à celle de leur sujet terrestre. La couche externe du scarabée diabolique à toute épreuve a une concentration significativement plus élevée de protéines - environ 10 pour cent de plus en poids¬¬ - ce qui, selon les chercheurs, contribue à la résistance accrue des élytres.

L'équipe a également étudié la géométrie de la suture médiale reliant les deux parties des élytres et a découvert qu'elle ressemble beaucoup aux pièces imbriquées d'un puzzle. Rivera a construit un appareil à l'intérieur d'un microscope électronique pour observer comment ces connexions fonctionnent sous compression, semblable à la façon dont ils pourraient réagir dans la nature. Les résultats de son expérience ont révélé que, plutôt que de claquer à la région du "cou" de ces verrouillages, la microstructure au sein des lames d'élytres cède par délaminage, ou fracturation en couches.

"Quand vous cassez une pièce de puzzle, vous vous attendez à ce qu'il se sépare au niveau du cou, la partie la plus fine, " dit Kisailus. " Mais nous ne voyons pas ce genre de rupture catastrophique avec cette espèce de scarabée. Au lieu, il se décolle, permettant un échec plus gracieux de la structure."

Un examen microscopique plus approfondi par Rivera a révélé que les surfaces extérieures de ces lames comportent des matrices d'éléments en forme de tige appelés microtrichia qui, selon les scientifiques, agissent comme des coussinets de friction, offrant une résistance au glissement.

Kisailus a envoyé Rivera travailler avec Dula Parkinson et Harold Barnard à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory, où ils ont effectué des expériences à haute résolution pour identifier les changements au sein des structures en temps réel à l'aide de rayons X extrêmement puissants.

Les résultats ont confirmé que pendant la compression, la suture, plutôt que de se rompre au point le plus fin, se décolle lentement sans défaillance catastrophique. Ils ont également validé que la géométrie, les composants matériels et leur assemblage sont essentiels pour rendre l'exosquelette du scarabée si résistant et robuste.

Pour étayer davantage leurs observations expérimentales, Rivera et ses co-auteurs Maryam Hosseini et David Restrepo, tous deux du laboratoire de Pablo Zavattieri à l'Université Purdue, ont utilisé des techniques d'impression 3D pour créer leurs propres structures du même design. Ils ont effectué des tests révélant que l'arrangement offre le maximum de résistance et de durabilité. Les modèles de l'équipe Purdue ont montré que non seulement la géométrie permet un verrouillage plus fort, mais la stratification fournit une interface plus fiable.

Kisailus a déclaré qu'il voyait de grandes promesses dans l'exosquelette du scarabée à toute épreuve et dans d'autres systèmes biologiques pour que de nouvelles substances profitent à l'humanité. Son laboratoire a fait des progrès, des matériaux composites renforcés de fibres basés sur ces caractéristiques, et il envisage le développement de nouvelles façons de fusionner des segments d'avions sans l'utilisation de rivets et de fixations traditionnels, qui représentent chacun un point de contrainte dans la structure.

Son équipe, dont Drago Vasile, étudiant de premier cycle à l'UC Riverside, imité l'elliptique, pièces imbriquées de l'exosquelette du scarabée à toute épreuve diabolique avec des plastiques renforcés de fibres de carbone. Ils ont joint leur composite biomimétique à un accouplement en aluminium et ont effectué des tests mécaniques pour déterminer s'il y avait des avantages par rapport aux fixations aérospatiales standard dans la liaison de matériaux différents. Assez sur, les scientifiques ont découvert que la structure inspirée du scarabée était à la fois plus solide et plus résistante que les attaches techniques actuelles.

"Cette étude relie vraiment les domaines de la biologie, la physique, la mécanique et la science des matériaux vers des applications d'ingénierie, que vous ne voyez généralement pas dans la recherche, " dit Kisailus. " Heureusement, ce programme, qui est parrainé par l'armée de l'air, nous permet vraiment de former ces équipes multidisciplinaires qui ont aidé à relier les points pour mener à cette découverte importante. »