Bí mật siêu sức mạnh của Con Bọ ‘Điabolical’ khi bị ô tô cán qua năm 2025

Lĩnh vực côn trùng học được xây dựng trên chiếc đinh khiêm tốn: Các nhà sinh học phiêu lưu vào thảo nguyên và rừng, gắp bắt côn trùng, giết chúng, và ghim chúng lên khay tạo thành bộ sưu tập lịch sử tự nhiên trong các bảo tàng và trường đại học, từ đó làm bất tử cho các mẫu vật để những nhà khoa học tương lai có thể xem xét. Nhưng con bọ giáp sắt ‘điabolical’—tên chính thức là Phloeodes diabolicus—sẽ không chịu bất kỳ sự nhục nhã nào như vậy. Xuất xứ từ miền tây nam Hoa Kỳ, nó được biết đến với cái tên “pin-bender,” một loại côn trùng cực kỳ mạnh mẽ đến mức khi các nhà sinh học cố gắng đâm một chiếc đinh qua vỏ đen, nổi lồi của nó, thì chiếc đinh nhỏ bé đó phải nhường đường. Nó mạnh mẽ đến nỗi các nhà côn trùng học phải khoan một lỗ qua nó trước, rồi sau đó đâm cái đinh vào. Điều này thực sự là một sự nhục nhã thêm, nếu bạn nghĩ về nó.

Con bọ giáp sắt ‘điabolical’ mạnh mẽ đến mức, nếu bạn cán qua nó bằng ô tô, nó chỉ đi bộ ra khỏi. Nó có thể chịu đựng lực tác động lên đến 39.000 lần trọng lượng cơ thể nó. Để thực sự nghiền nát con bọ này, bạn cần lực tác động là 150 nêwton, điều này, nếu bạn không nói lưu loát về vật lý, mạnh mẽ hơn 7.5 lần so với lực mà bạn có thể tạo ra bằng cách nén một cái gì đó giữa ngón tay cái và ngón tay áp út.

Đối với nhà khoa học vật liệu tại Đại học California Irvine, David Kisailus, con bọ giáp sắt ‘điabolical’ không chỉ là một điều tò mò—đó là nguồn cảm hứng. Kisailus và đồng nghiệp của ông vừa công bố một bài báo trong tạp chí Nature giải mã ít nhất một phần của bí mật về cách con bọ có thể thực hiện những cử động mạnh mẽ như vậy. Tự nhiên đã phát minh ra một cấu trúc khéo léo giữ cho côn trùng không bị làm phẳng, một cấu trúc mà Kisailus đã bắt đầu khai thác để phát triển các vật liệu siêu mạnh mới. “Chúng tôi rất hứng thú, vì chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể áp dụng thiết kế này vào ngành hàng không, ô tô, và công nghiệp đồ thể thao,” Kisailus nói.

Vậy, để bắt đầu: Trong thế giới rộng lớn của côn trùng, con bọ nào lại có thể chịu đựng những lực tác động mạnh mẽ như vậy? Nói về mặt hình thái học, đó là lớp cánh cứng của con bọ—hai lớp vỏ cứng mà bạn thường thấy một con bọ xinh đẹp mở khi nó giơ cánh và bay lên—đang hoạt động như một chiếc khiên. Nhưng con bọ giáp sắt ‘điabolical’ (sẽ được biết đến sau đây là DIB) không thể bay. Theo thời gian tiến hóa, lớp cánh cứng của nó liên kết với nhau và với phần còn lại của vỏ bọc ngoại của nó, tạo nên một lớp vỏ đồng nhất.

“Nhiều loại bọ lớn không bay thì có xu hướng có đặc điểm này (rất mạnh mẽ), đặc biệt là những con không có khả năng tự vệ hóa học mạnh,” viết Matthew Van Dam, một chuyên gia về bọ tại Viện Hàn lâm California, trong một email gửi đến blog.mytour.vn. (Ông không tham gia vào công việc nghiên cứu mới này.) “Các nghiên cứu khác đã phát hiện rằng đây là một phòng thủ tốt chống lại sự săn mồi. Vì vậy, đặc tính này có thể đã tiến hóa như là một phòng thủ chống lại kẻ săn mồi.”

Đầu tiên, chúng ta có thể giả định rằng con bọ đang tích hợp một loại khoáng chất nào đó vào vỏ bọc ngoại của mình để tăng sức mạnh. Điều đó không phải là điều không có tiền lệ: Ví dụ, một loại ốc sâu biển sâu xây dựng vỏ bọc bằng sắt. Nhưng không, DIB là hoàn toàn hữu cơ. “Những gì chúng tôi biết là nó là các vật liệu hữu cơ đơn giản—không có khoáng chất, như bạn thường thấy trong vỏ chắn chịu nén thực sự,” Kisailus nói. “Các thanh chống đỡ dựa cầu xa của bạn là bê tông vì lý do đó: Gốm tốt khi chịu nén. Và tuy nhiên không có khoáng chất nào trong đây. Nó hoàn toàn là hữu cơ.”

Vậy nên phải có điều gì đặc biệt xảy ra với cấu trúc của vỏ bọc ngoại: Cơ thể phải được xây dựng sao cho hấp thụ năng lượng của một đòn đánh nghiền, giống như cách một tòa nhà chọc trời được xây dựng để chuyển động một cách nhẹ nhàng trong một trận động đất để tránh việc nứt đôi. Và thực sự, Kisailus và đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra hai đổi mới tiến hóa quan trọng làm cho DIB trở nên cực kỳ mạnh mẽ: hỗ trợ bên và khâu trung tâm.

Hãy tưởng tượng lớp cánh cứng và vỏ bọc ngoại của bụng dưới của côn trùng giống như một cốc và nắp của nó, khớp lại với nhau. Khi hai phần này gặp nhau xung quanh bụng, chúng tạo ra các thanh chống bên với "giao thoa", xen kẽ như những ngón tay. “Khi bị nén, những thanh chống bên đó, giống như cột của một cây cầu, cung cấp một số sức mạnh chịu nén,” Kisailus nói. “Và điều chúng tôi phát hiện là gần các cơ quan quan trọng, lượng chồng chéo giữa nửa trên và nửa dưới của những cột đó là đáng kể—giao thoa đáng kể. Nhưng khi bạn di chuyển xa khỏi các cơ quan quan trọng về phía đuôi của con bọ, có ít giao thoa hơn. Và thực sự nó cho phép con bọ nén và có một số sự tuân thủ.”

Điều đó có nghĩa, thay vì bị áp lực—như từ bánh xe ô tô—vỏ bọc của con bọ nhường. Hãy tưởng tượng cách bụng của bạn nén lại khi bạn nhận một cú đấm vào bụng. Trong trường hợp này, thay vì hấp thụ cú đánh bằng mỡ bụng và cơ bụng, vỏ ngoại cứng của DIB nén lại để giảm nhẹ va chạm.

Khâu trung tâm là thành phần quan trọng thứ hai. Các loại bọ bay mở hai lớp cánh cứng để giang cánh của họ. Nhưng với một con bọ sống trên cạn như DIB, nó đã liên kết hai lớp nắp lại. Trong hình ở đầu trang của câu chuyện này, bạn có thể thấy rằng hai nửa không chỉ được liên kết—chúng lồng vào nhau như các miếng ghép của một trò chơi xây hình.

“Jesus [Rivera], tác giả chính là người MacGyver trong nhóm, anh ấy đã cho tôi thấy cấu trúc này từ hình ảnh kính hiển vi,” Kisailus nói. “Tôi nói, ‘Ồ, đó là một trò chơi xây hình.’ Vì vậy, tôi ra cửa hàng RiteAid vào đêm đó và mua một trò chơi xây hình 100 miếng, chỉ để có những miếng đủ lớn. Tôi mang nó đến cuộc họp nhóm ngày hôm sau, và sinh viên của tôi đã cười tôi và chế giễu tôi như tôi là một người điên.”

Nếu bạn nghĩ về hai mảnh ghép xếp lại với nhau như hai chiếc mảnh ghép xếp lại với nhau như hai chiếc gói, một loại thùy đầy hình ảnh khớp vào một không gian trống. Nhìn vào hình dạng của nó, bạn sẽ dự kiến rằng thùy sẽ gãy nếu bạn cố gắng kéo hai mảnh ra xa nhau. Cụ thể, nó nên gãy ở nơi có ít vật liệu nhất, nơi thùy thu hẹp lại thành một loại cổ họng. Nhưng, thì ra, đó là một công việc không dễ dàng. “Nếu bạn lấy hai mảnh của mảnh xây hình đó, và bạn cố gắng kéo chúng ra xa, một khi chúng được kết nối, đó là một giao diện khá mạnh mẽ,” Kisailus nói. “Và vì vậy đó là điều cung cấp sức mạnh cho con bọ.”

Trong nghiên cứu của họ, Rivera đã chứng minh điều này bằng cách nén một phần chéo của vỏ bọc ngoại của DIB trong một loại kẹp thu nhỏ và đặt một kính hiển vi electron vào đó. Kỹ thuật hình ảnh này hoạt động bằng cách tấn công đối tượng bằng electron, để các nhà nghiên cứu có thể quan sát cách các hạt phản xạ, tạo ra một hình ảnh chi tiết về cấu trúc của con bọ. Khi họ áp dụng lực lên phần chéo, giống như có điều gì đó cố gắng nén DIB, cấu trúc vẫn giữ được. “Hãy xem, giao diện ở đường khâu đó—mảnh xây hình chúng tôi đang nói đến—không bị hỏng,” Kisailus nói.

Nhìn qua kính hiển vi electron, bất kỳ rạn nứt nào trong một đối tượng đều nên xuất hiện như những điểm sáng trắng. Thay vào đó, những gì Rivera và Kisailus phát hiện là vỏ bảo vệ của DIB thực sự là một loại composite được làm từ nhiều lớp vật liệu sợi. “Khi bạn kéo mảnh ghép, thay vì làm rách cổ họng, những cấu trúc laminate bắt đầu tách ra một chút,” Kisailus nói. “Đó mới là cái xác định độ bền của sinh vật này—nó cung cấp nhiều sự phân tán năng lượng thay vì phá hủy giòn. Nó chỉ tách lớp.” Những nhà nghiên cứu thậm chí có thể nhìn thấy một loại sự rách của vật liệu dưới kính hiển vi. Đường khâu trung tâm này hoạt động cùng với hỗ trợ bên để giữ cho cơ thể của con bọ không sập, ngay cả trong điều kiện căng thẳng cực kỳ.

Bây giờ Kisailus và đội của ông có thể sao chép những thủ thuật của DIB. Họ đang nghĩ về cấu trúc của máy bay (đội nhóm nhận được nguồn tài trợ từ Không quân để nghiên cứu này), và cách nó rất khó khăn để kết nối các mảnh vật liệu composite tạo thành thân máy bay với nhau. Kỹ sư làm điều này bằng cách sử dụng đinh và keo dính, nhưng những cái này dễ bị hỏng nặng, điều không lý tưởng ở độ cao 30.000 feet.

Vì vậy, trong phòng thí nghiệm, những nhà nghiên cứu đã kết hợp một tấm composite được gia cường bằng sợi carbon với một tấm nhôm bằng một đinh “Hi-Lok”, một bộ phận được sử dụng trong kỹ thuật hàng không để kết nối các cấu trúc. Sau đó, họ chế tạo các mảnh composite sợi carbon laminated, hình dạng giống như đường khâu trung tâm chắc chắn của con bọ, và cũng kết hợp nó với một tấm nhôm được gia công như vậy. Tiếp theo, họ kéo hai đầu của cấu trúc sợi carbon và nhôm và quan sát cách đường khâu mới của họ giữ chặt so với vật liệu được kết nối bằng một bộ phận kết nối truyền thống. Mọi thứ không diễn ra tốt cho bộ phận kết nối. “Khi bạn nhìn vào sự thất bại của bộ phận kết nối, nó thất bại một cách thảm họa,” Kisailus nói. “Nhưng khi bạn nhìn vào sự thất bại của bản sao con bọ, nó không thất bại thảm họa. Bạn có cùng sự tách lớp mà chúng tôi thấy trong con bọ, nhưng nó đang diễn ra trong vật liệu composite sợi carbon mà chúng tôi mô phỏng.”

Trước khi những nhà nghiên cứu có thể khai thác đầy đủ sức mạnh của DIB, họ phải vén bức màn về những bí mật của các vật liệu sinh học đang tham gia vào quá trình này. Nếu con bọ không tích hợp thêm khoáng chất vào vỏ bọc ngoại của nó để làm cho nó cứng cáp, liệu có điều gì đặc biệt về các protein tạo nên vỏ bọc? “Chúng tôi không biết những protein đó là gì,” Kisailus nói. “Chúng có tính đàn hồi siêu?”

Tìm ra câu trả lời có thể một ngày nào đó giúp tạo ra máy bay và máy bay không người lái chống lại sự thất bại thảm họa. Tuy nhiên, cho đến bây giờ, chúng ta chỉ có thể để lại một chiếc đinh.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ blog.mytour.vn