Svelati i segreti del coleottero indistruttibile. E potrebbero servirci molto a creare nuovi materiali (VIDEO)

Il coleottero diabolico corazzato sopravvivere persino dopo essere stato schiacciato da un'auto

[22 Ottobre 2020]

Il coleottero diabolico corazzato, (Phloeodes diabolicus o Nosoderma diabolicum – diabolical ironclad beetle in inglese) è un insetto con i superpoteri: può essere calpestato da un essere umano o finire sotto le ruote di un’auto e restare illeso e anche gli uccelli, i rettili e i roditori che cercano spesso di mangiarlo raramente ci riescono.

La sopravvivenza di questo indistruttibile scarabeo dipende da due fattori essenziali: la sua capacità di fingersi morto in modo convincente e il suo esoscheletro che è una delle strutture più dure e resistenti allo schiacciamento conosciute nel mondo biologico.

Il nuovo studio “Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle”, pubblicato su Nature da un team di ricercatori statunitensi e giapponesi, rivela quali sono i componenti e i materiali – e come sono strutturati a livello di nanoscala e microscala – che rendono questo scarabeo così indistruttibile, dimostrando anche che gli ingegneri possono trarre idee e insegnamenti da queste strutture biologiche.

Uno degli autori dello studio, David Kisailus, che insegna scienza dei materiali e ingegneria all’università della California – Irvine, spiega che «L’ironclad  è un coleottero terrestre, quindi non è leggero e veloce, ma è più simile a un piccolo carro armato. Questo è il suo adattamento: non può volare via, quindi rimane fermo e lascia che la sua armatura appositamente progettata sopporti gli attacchi finché il predatore non si arrende».

Un altro motivo per cui il coleottero diabolico corazzato deve avere un esoscheletro resistente è che vive in un habitat desertico nel sud-ovest degli Stati Uniti, dove si rifugia schiacciato sotto le rocce e la corteccia degli alberi.

Il principale autore dello studio, Jesus Rivera del Materials science and engineering program dell’università della California – Riverside, ha conosciuto per la prima volta i coleotteri indistruttibili nel 2015 durante una visita al museo di entomologia all’UC – Riverside, dove lui e Kisailus stavano lavorando. Rivera ha raccolto alcuni esemplari di questi coleotteri in dei siti intorno al campus universitario dell’Inland Empire e li ha riportati al laboratorio di Kisailus per eseguire test di compressione, confrontando poi i risultati con quelli attenuti in test su altre specie di coleotteri originarie della California meridionale. I due ricercatori hanno così scoperto che «Il coleottero diabolico corazzato può sopportare una forza di circa 39.000 volte il suo peso corporeo». Per fare come lo scarabeo, un uomo di 90 kg dovrebbe sopportare 3.120 tonnellate.

Grazie a una serie di analisi microscopiche e spettroscopiche ad alta risoluzione, Rivera e Kisailus hanno capito che «Il segreto dell’insetto risiede nella composizione materiale e nell’architettura del suo esoscheletro, in particolare nelle sue elitre». Nei coleotteri volanti  le elitre sono delle lamine che si aprono e si chiudono per proteggere le ali vere e proprie da batteri, essiccazione e altre fonti di danno. Nel coleottero diabolico corazzato le elitre si sono evolute per diventare uno scudo protettivo solidissimo.

Lo studio dimostra che le elitre del Phloeodes diabolicus sono costituite da strati di chitina, un materiale fibroso e una matrice proteica. In collaborazione con un team giapponese guidato da Atsushi Arakaki e dal suo studente laureato Satoshi Murata, dell’Institute of global innovation research, della Tokyo University of agriculture and technology, i ricercatori statunitensi hanno esaminato la composizione chimica dell’esoscheletro più leggero di un coleottero volante e lo hanno confrontato con quello dell’ironclad e dicono che «Lo strato esterno del coleottero diabolico corazzato ha una concentrazione di proteine ​​significativamente più alta:- circa il 10% in più in peso – che contribuisce alla maggiore tenacità delle elitre».

Il team nippo-americano ha anche studiato la geometria della sutura mediale che unisce le due parti dell’elitre e ha scoperto che assomiglia molto ai pezzi di un puzzle. Rivera ha costruito un dispositivo per un microscopio elettronico per osservare come si comportano queste connessioni sotto una compressione simile a quella che i cleotteri possono subire in natura. I risultati dell’esperimento hanno rivelato che, «Invece di scattare nella regione del “collo” di questi interblocchi, la microstruttura all’interno delle lame delle elitre cede per delaminazione o frattura a strati».

Kisailus spiega: «Quando si rompe un pezzo di puzzle, ci si aspetta che si separi al collo, la parte più sottile. Ma non vediamo quella sorta di scissione catastrofica con questa specie di coleottero. Invece, si delamina, fornendo un cedimento più aggraziato della struttura».

Un ulteriore esame microscopico realizzato da Rivera ha rivelato che «Le superfici esterne di queste lame presentano schiere di elementi simili a bastoncelli chiamati microtrichia che gli scienziati ritengono agiscano come cuscinetti per l’attrito, fornendo resistenza allo slittamento.

Kisailus ha inviato Rivera a lavorare con due altri autori dello studio, Dilworth Parkinson e Harold Barnard dell’Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory, dove, utilizzando raggi X estremamente potenti, hanno eseguito esperimenti ad alta risoluzione per individuare i cambiamenti all’interno delle strutture dello scarabeo  in tempo reale. I risultati hanno confermato che «Durante la compressione, la sutura, anziché rompersi nel punto più sottile, si delamina lentamente senza guasti catastrofici». I ricercatori hanno anche confermato che  «La geometria, i componenti del materiale e il loro assemblaggio sono fondamentali per rendere così duro e robusto l’esoscheletro del coleottero».

Per confermare ulteriormente queste osservazioni sperimentali, Rivera e altri due autori dello studio,  Maryam Sadat Hosseini e David Restrepo, entrambi del laboratorio della Lyles School of Civil Engineering di Pablo Zavattieri alla Purdue University, hanno utilizzato tecniche di stampa 3D per creare strutture con lo stesso design delle elitre modificate del coleottero e i test che hanno eseguito hanno rivelato che «La disposizione fornisce la massima quantità di forza e durata. I modelli del team Purdue hanno dimostrato che non solo la geometria consente un interblocco più forte, ma la laminazione fornisce un’interfaccia più affidabile».

Kisailus vede nell’esoscheletro del coleottero corazzato e in altri sistemi biologici una possibilità concreta per realizzare nuove sostanze che vadano a beneficio dell’umanità. Basandosi sulle caratteristiche dell’indistruttibile corazza del coleottero, il suo laboratorio ha realizzato materiali compositi avanzati e rinforzati con fibre e il ricercatore  immagina «Lo sviluppo di nuovi modi per fondere insieme segmenti di aeromobili senza l’uso di rivetti e elementi di fissaggio tradizionali, che rappresentano ciascuno un punto di stress nella struttura».

Il suo team, che comprende anche Drago Vasile del Department of chemical and environmental engineering dell’università della California – Riverside, ha imitato i pezzi ellittici e ad incastro dell’esoscheletro del coleottero diabolico corazzato con della plastica rinforzata con fibra di carbonio, poi ha unito il composito biomimetico con un accoppiamento in alluminio e ha condotto test meccanici per determinare se c’erano vantaggi rispetto agli elementi di fissaggio aerospaziali standard per legare materiali dissimili. Abbastanza sicuro. Gli scienziati hanno scoperto che «La struttura ispirata allo scarabeo era sia più forte che più resistente degli attuali dispositivi di fissaggio ingegneristici».

Kisailus conclude: «Questo studio unisce davvero i campi della biologia, fisica, meccanica e la scienza dei materiali verso applicazioni ingegneristiche, cose che in genere non si vedono nella ricerca. Fortunatamente, questo programma, sponsorizzato dall’Air Force, ci consente davvero di formare questi team multidisciplinari che hanno contribuito a collegare i punti per portare a questa significativa scoperta».

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  • Compression Resistant Ironclad Beetle

  • Ironclad Beetle Medial Suture