자동차 바퀴에 깔려도 사는 괴물곤충 외골격의 비밀 풀렸다


미국 연구팀 "디아볼리쿠스 혹거저리 외골격 성분·구조 덕에 체중 3만9천배 견뎌"


    자동차 바퀴에 깔려도 사는 곤충이 있다. 몸무게의 3만9000배나 되는 엄청난 압력을 견디어낸다. 미국에 서식하는 딱정벌레목(目) 혹거저리과(科) 곤충 ‘디아볼리쿠스 혹거저리'(Phloeodes diabolicus)가 그 주인공이다. 비결은 무엇일까?


미국 어바인 캘리포니아대(UC 어바인)와 퍼듀대 연구진은 22일 ‘네이처'(Nature)에서 디아볼리쿠스 혹거저리가 이런 압력을 견디는 것은 배를 덮고 있는 단단한 딱지날개(elytra)의 성분과 조각그림 퍼즐(jigsaw puzzle)처럼 서로 단단히 얽혀 있는 구조 덕분이라고 밝혔다.


Figure 1 | A crush-resistant insect. The diabolical ironclad beetle (Phloeodes diabolicus) has an exoskeleton that is so tough, the insect can survive being run over by a car.Credit: Getty


 

Diabolical ironclad beetles inspire tougher joints for engineering applications

Intriguing structures have been observed that link sections of the diabolical ironclad beetle’s amazingly crush-resistant armour. These findings suggest fresh approaches for making tough, reliable joints for use in engineering.




The splendidly named diabolical ironclad beetle (Phloeodes diabolicus, Fig. 1) has an impressively tough exoskeleton — allowing it to survive attacks from predators, being stomped on by hikers and even being run over by cars. Writing in Nature, Rivera et al.1 reveal the secret of this beetle’s crush resistance. Using a combination of advanced microscopy, mechanical testing and computer simulations, the authors find that layered, jigsaw-like joints and a variety of support structures connect the various parts of the exoskeleton, accounting for its toughness.


Natural materials, for example those found in bones, teeth and shells, often have exceptional mechanical performance, combining properties such as strength, toughness and self-healing capabilities in ways that cannot be achieved in conventional engineering materials2,3. These superior properties are partly due to the materials’ hierarchical architectures: the constituents are assembled from repeating structures or patterns at several different size scales, ranging from the molecular to the macroscopic scale4


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https://www.nature.com/articles/d41586-020-02840-1


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디아볼리쿠스 혹거저리는 북미 서해안의 참나무에 주로 사는 곤충으로 매우 강하고 튼튼한 것으로 유명하다. 학명에 ‘악마’를 뜻하는 ‘디아볼리쿠스'(diabolicus)가 있는 것도 이 때문이다. 일반명으로는 ‘악마 같은 철갑 딱정벌레'(diabolical ironclad beetle)로 불린다.


연구를 이끈 UC어바인 데이비드 키사일러스 교수는 이 곤충은 나는 능력이 부족해 위험을 피해 날아갈 수는 없지만 새나 설치류 같은 포식자 공격에도 뚫리지 않고 자동차 바퀴에 깔려도 견뎌내는 외골격(exoskeleton)이 있다며 표본 고정용 철핀을 꽂기도 힘들 정도라고 말했다.


연구팀이 디아볼리쿠스 혹거저리가 실제 어느 정도의 압력을 견딜 수 있는지 실험한 결과 최대 149N(뉴턴)을 견디어내는 것으로 나타났다. 이는 몸무게의 3만9천배에 달하는 것으로 체중이 60㎏인 사람이 2천340t의 압력을 이겨내는 것과 맞먹는다.


www.nature.com/articles/d41586-020-02840-1

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연구팀은 고해상도 현미경 관찰과 분광분석을 통해 이 곤충이 이런 엄청난 압력을 견디어낼 수 있는 비결이 외골격, 특히 딱지날개의 구성물질과 구조에 있다는 사실을 밝혀냈다.




하늘을 나는 곤충의 딱지날개는 열리고 닫히면서 실제 나는 데 사용되는 날개를 보호하지만, 디아블로쿠스 혹거저리의 딱지날개는 딱딱하게 진화해 주로 몸을 보호하는 기능을 한다.


분석결과 이 딱지날개는 단백질 바탕에 섬유질인 키틴층들이 쌓여 있는 구조로 돼 있으며 단백질의 함량도 하늘을 나는 곤충들의 딱지날개보다 10% 이상 높은 것으로 나타났다.


또 디아볼리쿠스 혹거저리의 딱지날개는 좌우 부분을 연결하는 중간 봉합선이 조각그림 퍼즐처럼 서로 맞물려 얽혀 있는 구조로 돼 있으며, 큰 힘을 받으면 얽혀있는 연결부위가 부서지거나 풀어지지 않고 여러 층으로 분리되면서 더 오래 견디어내는 것으로 나타났다.


연구팀이 첨단 탄소섬유 강화 플라스틱과 알루미늄을 딱지날개의 결합구조 형태로 결합시켜 기계적 시험을 한 결과 현재 항공기 부품 등을 결합하는 데 사용하는 리벳(대갈못)이나 고정장치보다 성능이 더 우수한 것으로 나타났다.


키사일러스 교수는 이 연구 결과는 디아볼리쿠스 혹거저리가 엄청난 압력을 이겨낼 수 있는 비결을 밝혀낸 것일 뿐 아니라 건설과 항공학 같은 공학 분야에 실질적으로 적용하는 것이 가능할 것으로 기대하고 있다고 밝혔다.

연합뉴스 ScienceTimes


https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%B0%A8-%EB%B0%94%ED%80%B4%EC%97%90-%EA%B9%94%EB%A0%A4%EB%8F%84-%EC%82%AC%EB%8A%94-%EA%B4%B4%EB%AC%BC%EA%B3%A4%EC%B6%A9-%EC%99%B8%EA%B3%A8%EA%B2%A9%EC%9D%98-%EB%B9%84%EB%B0%80/



Diabolical Ironclad Beetle: Unlocking the secrets of its super-tough design  KCONTENTS

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Posted by engi, conpaper Engi-

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