Med ett av de mer respektingivande namnen i djurriket, den djävulska järnbaggen är en formidabel insekt. Fåglar, Ödlor och gnagare försöker ofta göra en måltid av det men lyckas sällan. Kör över den med en bil, och djuret lever vidare.

Skalbaggens överlevnad beror på två nyckelfaktorer:dess förmåga att övertygande spela död och ett exoskelett som är ett av de tuffaste, de flesta krosståliga strukturer som är kända för att existera i den biologiska världen. I en tidning som publicerades idag i Natur , forskare vid University of California, Irvine och andra institutioner avslöjar de materialkomponenter - och deras nano- och mikroskala ritningar - som gör organismen så oförstörbar, samtidigt som de visar hur ingenjörer kan dra nytta av dessa konstruktioner.

"Den järnklädda är en jordlevande skalbagge, så den är inte lätt och snabb utan byggd mer som en liten tank, " sade principutredaren och motsvarande författare David Kisailus, UCI professor i materialvetenskap och teknik. "Det är dess anpassning:Den kan inte flyga iväg, så den stannar bara kvar och låter sin specialdesignade rustning ta övergreppet tills rovdjuret ger upp."

I dess ökenmiljö i sydvästra USA, skalbaggen kan hittas under stenar och i träd, klämd mellan barken och stammen — en annan anledning till att den måste ha en hållbar exteriör.

Huvudförfattare Jesus Rivera, en doktorand i Kisailus labb, lärde sig först om dessa organismer 2015 under ett besök på det berömda entomologimuseet vid UC Riverside, där han och Kisailus arbetade vid den tiden. Rivera samlade in skalbaggarna från platser runt Inland Empire campus och förde dem tillbaka till Kisailus labb för att utföra kompressionstester, jämför resultaten med de för andra arter hemmahörande i södra Kalifornien. De fann att den djävulska järnklädda skalbaggen kan motstå en kraft på cirka 39, 000 gånger sin kroppsvikt. En man på 200 pund skulle behöva utstå den förkrossande vikten på 7,8 miljoner pund för att nå denna bedrift.

Genomför en serie högupplösta mikroskopiska och spektroskopiska utvärderingar, Rivera och Kisailus fick reda på att insektens hemlighet ligger i materialets makeup och arkitektur för dess exoskelett, specifikt, dess elytra. Hos luftbaggar, elytra är framvingarna som öppnas och stängs för att skydda flygvingarna från bakterier, uttorkning och andra källor till skada. Den järnklädda elytra har utvecklats till att bli en solid, skyddande sköld.

Analys av Kisailus och Rivera visade att elytran består av lager av kitin, ett fibröst material, och en proteinmatris. I samarbete med en grupp ledd av Atsushi Arakaki och hans doktorand Satoshi Murata, både från Tokyo University of Agriculture and Technology, de undersökte den kemiska sammansättningen av exoskelettet hos en lättare flygande skalbagge och jämförde den med den hos deras jordbundna motiv. Den djävulska järnklädda skalbaggens yttre lager har en betydligt högre koncentration av protein – cirka 10 procent mer i vikt¬¬ – vilket forskarna föreslår bidrar till elytrans ökade seghet.

Teamet undersökte också geometrin hos den mediala suturen som förenar de två delarna av elytran och fann att den ser mycket ut som sammankopplade bitar av ett pussel. Rivera byggde en enhet inuti ett elektronmikroskop för att observera hur dessa anslutningar fungerar under kompression, liknande hur de kan reagera i naturen. Resultaten av hans experiment visade att, snarare än att knäppa i "halsen" på dessa lås, mikrostrukturen i elytra-bladen ger vika via delaminering, eller skiktad frakturering.

"När du bryter en pusselbit, du förväntar dig att den ska separera vid nacken, den tunnaste delen, " sa Kisailus. "Men vi ser inte den sortens katastrofala splittring med denna skalbagge. Istället, det delaminerar, ger ett mer graciöst misslyckande av strukturen."

Ytterligare mikroskopisk undersökning av Rivera avslöjade att de yttre ytorna på dessa blad har uppsättningar av stavliknande element som kallas mikrotrichia som forskarna tror fungerar som friktionsdynor, ger motstånd mot glidning.

Kisailus skickade Rivera för att arbeta med Dula Parkinson och Harold Barnard vid Advanced Light Source vid Lawrence Berkeley National Laboratory, där de utförde högupplösta experiment för att lokalisera förändringarna inom strukturerna i realtid med hjälp av extremt kraftfulla röntgenstrålar.

Resultaten bekräftade att under kompression, suturen - snarare än att gå sönder vid den tunnaste punkten - delamineras långsamt utan katastrofala misslyckanden. De validerade också att geometrin, materialkomponenterna och deras montering är avgörande för att göra skalbaggens exoskelett så tufft och robust.

För att ytterligare underbygga sina experimentella observationer, Rivera och medförfattarna Maryam Hosseini och David Restrepo – båda från Pablo Zavattieris labb vid Purdue University – använde 3D-utskriftstekniker för att skapa sina egna strukturer av samma design. De körde tester som avslöjade att arrangemanget ger maximal styrka och hållbarhet. Purdue-teamets modeller visade att geometrin inte bara möjliggör en starkare förregling, men lamineringen ger ett mer tillförlitligt gränssnitt.

Kisailus sa att han ser ett stort löfte i den järnklädda skalbaggens exoskelett och andra biologiska system för nya ämnen till nytta för mänskligheten. Hans labb har gjort avancerade, fiberförstärkta kompositmaterial baserade på dessa egenskaper, och han föreställer sig utvecklingen av nya sätt att smälta samman flygplanssegment utan användning av traditionella nitar och fästelement, som var och en representerar en spänningspunkt i strukturen.

Hans lag, inklusive UC Riverside undergraduate Drago Vasile, härmade den elliptiska, sammankopplande bitar av den djävulska järnklädda skalbaggens exoskelett med kolfiberförstärkt plast. De sammanfogade sin biomimetiska komposit till en aluminiumkoppling och genomförde mekaniska tester för att avgöra om det fanns några fördelar jämfört med vanliga flyg- och rymdfästen för att binda olika material. Säker nog, forskarna fann att den skalbaggeinspirerade strukturen var både starkare och tuffare än nuvarande tekniska fästelement.

"Denna studie överbryggar verkligen biologins områden, fysik, mekanik och materialvetenskap mot tekniska tillämpningar, som du vanligtvis inte ser i forskning, " sa Kisailus. "Lyckligtvis, det här programmet, som sponsras av flygvapnet, verkligen gör det möjligt för oss att bilda dessa multidisciplinära team som hjälpte till att koppla ihop punkterna för att leda till denna betydelsefulla upptäckt."