Comment ce scarabée incassable peut survivre à l’écrasement d’une voiture

Le coléoptère diabolique cuirassé, en plus d’avoir l’un des noms les plus cool du règne animal, possède l’un des plus durs naturels exosquelettes. Une équipe de scientifiques a enfin découvert le secret derrière cela armure extra durable et comment ces insectes peuvent survivre en se faisant écraser par une voiture.

Comme le disent souvent les sages, un roseau qui se plie au vent est plus fort qu’un arbre puissant qui se brise pendant une tempête. Nouveau recherche publié aujourd’hui dans Nature suggère le diabolique ironclad beetle (Phloeodes diabolicus) adhère à ces sages paroles. Leurs exosquelettes sont très résistants, mais lorsque la pression devient littéralement trop forte, leurs coques de protection prennent une qualité élastique qui se traduit par une sorte d’étirement plutôt que de rupture.

Les scientifiques qui ont fait cette découverte – une équipe de l’Université Purdue et de l’Université de Californie-Irvine – affirment que la stratégie unique employée par le coléoptère diabolique cuirassé pourrait inspirer la création de des matériaux, à savoir des composants capables de dissiper de l’énergie pour éviter une rupture catastrophique. David Kisailus, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à Purdue, a dirigé la nouvelle recherche.

Trouvé dans le sud-ouest des États-Unis, le coléoptère diabolique de fer aime se cacher sous les rochers et se faufiler derrière écorce d’arbre. Ces coléoptères ne peuvent pas voler, ils ont donc développé une paire de stratégies défensives intéressantes pour se protéger contre les prédateurs tels que les oiseaux, les rongeurs et les lézards. En plus de faire le mort (une stratégie classique et efficace en soi), ces bugs ressemblant à des chars sont équipés de l’une des coquilles les plus résistantes connues de la science. Cet exosquelette est si fort que ces coléoptères peuvent survivre en se faisant écraser par une voiture. Plus concrètement, cette coquille protège leurs organes internes lorsque, disons, ils se font picorer par les oiseaux.

Pour mieux comprendre ces coléoptères et leurs exosquelettes durables, les chercheurs ont poussé les limites de cette armure, l’a étudié avec des microscopes et des scanners CT, et même imprimé en 3D leurs propres versions pour tester leurs théories.

Des expériences ont montré que les coléoptères diaboliques cuirassés peuvent résister à une force appliquée de 150 newtons, soit 39 000 fois leur poids corporel. Si nous devions comparer cela aux humains (ce n’est pas un bon exemple, compte tenu des échelles très différentes impliquées, mais néanmoins amusantes), cela nécessiterait une personne de 200 livres pour endurer le béguin de 7,8 millions de livres, selon un communiqué de presse Purdue. Un pneu passant au-dessus infligerait 100 newtons de force, ce qui explique comment ces coléoptères peuvent survivre à des accrochages avec des voitures. Les chercheurs affirment que d’autres espèces de coléoptères ne peuvent pas supporter même la moitié de cette charge.

L’analyse physique de l’exosquelette avec des microscopes et des tomodensitomètres a montré que la clé de cette durabilité réside dans les élytres de cette créature. Chez les coléoptères volants, les élytres servent d’ailes protectrices pour leurs ailes postérieures (chez les coccinelles, les élytres sont les coquilles à pois rouges et noirs qui s’ouvrent quand il est temps pour eux de voler). Pour le scarabée cuirassé diabolique terrestre, cependant, ses deux élytres a évolué dans un but différent, protégeant ses organes internes au lieu de ses ailes. Et ce faisant, il est devenu considérablement plus résistant que les élytres que l’on trouve chez d’autres coléoptères.

Cette coque confère deux niveaux de protection, comme le souligne la nouvelle recherche.

La couche externe empêche les mouvements excessifs, gardant la structure de l’exosquelette intacte. Cette couche externe contient plus de protéines que d’habitude – environ 10% de plus en poids que les autres parties du corps du coléoptère – ce qui ajoute une force supplémentaire.

Dans le même temps, la suture médiale – la ligne qui sépare les deux élytres sur la longueur de l’abdomen du scarabée – comporte des lames conjonctives qui sont mieux décrites comme les pièces d’un puzzle imbriqué. Ces lames, ou sutures, s’emboîtent étroitement, empêchant tout mouvement interne et gardant intacte la structure de l’exosquelette global.

Mais souviens-toi de notre roseaudans-les-analogie avec le vent? Si les choses commencent à devenir trop intenses et le stress trop puissant, il doit y avoir un peu de céder, de peur que le scarabée ne se brise comme l’arbre têtu. Dans ce cas, les sutures imbriquées passent par un processus appelé délaminage, ou fracturation en couches, dans lequel les structures de connexion s’écartent lentement les unes des autres, permettant la dissipation d’énergie et la déformation élastique. Cette configuration imbriquée s’effondrera complètement si les forces sont trop extrêmes, mais le processus de rupture se produit plus lentement et plus doucement que un vieux claquement. Dans un vraiscénario mondial, cela signifie un temps prolongé jusqu’à l’échec complet, ce qui, pour le scarabée, pourrait être une question de vie ou de mort.

«Lorsque vous cassez une pièce du puzzle, vous vous attendez à ce qu’elle se sépare au niveau du cou, la partie la plus mince», a expliqué Kisailus dans une déclaration UC-Irvine. «Mais nous ne voyons pas ce genre de division catastrophique avec cette espèce de coléoptère. Au lieu de cela, il se délamine, ce qui permet une défaillance plus gracieuse de la structure. »

Pour acheter le scarabée encore plus de temps, les lames sont dotées d’un revêtement épineux qui agit comme du papier de verre, fournissant mais pas trop résistance lors du glissement.

En exécutant des simulations informatiques et en imprimant des modèles 3D de ces structures, les chercheurs ont pu reproduire ces effets protecteurs, renforçant encore leurs hypothèses. Ils ont également construit une attache basée sur la même stratégie, et elle s’est avérée aussi bonne que les attaches d’ingénierie conventionnelles, sinon mieux.

«Ce travail montre que nous pourrons peut-être passer de l’utilisation de matériaux solides et cassants à des matériaux à la fois solides et résistants en dissipant l’énergie à mesure qu’ils se cassent», a déclaré Pablo Zavattieri, professeur de génie civil à Purdue, dans une université déclaration. «C’est ce que la nature a permis au scarabée de fer diabolique de faire.

Avec ces connaissances, les ingénieurs pourraient être en mesure de construire des matériaux très résistants, tels que des turbines à gaz améliorées pour avions, qui impliquent des métaux et des matériaux composites qui doivent être maintenus ensemble par des attaches mécaniques. En effet, nous n’avons pas toujours besoin de réinventer la roue – souvent, la nature a déjà résolu un problème assez élégamment.