سوسکی که زیر چرخ خودرو زنده می‌ماند، الهام‌بخش روش جدید تعمیر هواپیما شد

بیشتر حشرات هنگام مواجهه با خطر فرار می‌کنند یا پنهان می‌شوند؛ اما سوسک زره‌پوش شیطانی (Phloeodes diabolicus) راهکار متفاوتی برای بقا دارد. این حشره‌ی بدون قدرت پرواز که فقط دو سانتی‌متر طول دارد، از زرهی برخوردار است که حتی می‌تواند فشار عبور چرخ خودرو را تحمل کند.

راز مقاومت خارق‌العاده‌ی سوسک در سختی پوسته‌ی آن خلاصه نمی‌شود. زره این حشره از ساختارهای درهم‌قفل‌شونده‌ای شبیه قطعات پازل تشکیل شده که هنگام واردشدن فشار شدید، انرژی را جذب می‌کنند و مانع شکست ناگهانی پوسته می‌شوند.

پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در ارواین و دانشگاه پردو در سال ۲۰۲۰ با استفاده از تصویربرداری اشعه‌ی ایکس، آزمایش‌های مکانیکی و مدل‌سازی سه‌بعدی، ساختار زره سوسک را بررسی کردند.

راز این مقاومت در اتصالات پازل‌مانند بال‌پوش‌های سخت سوسک نهفته است. هنگام واردشدن فشار، قطعات درهم‌قفل‌شونده نیرو را توزیع می‌کنند و مانع شکافته‌شدن زره می‌شوند.

اگر فشار بیش‌ازحد افزایش یابد، لایه‌های میکروسکوپی زره به‌تدریج از یکدیگر جدا می‌شوند. این فرایند که «لایه‌لایه‌شدن» نام دارد، به جذب انرژی و جلوگیری از شکست ناگهانی کمک می‌کند. نکته‌ی جالب اینکه زره سوسک فاقد مواد معدنی است و مقاومت استثنایی آن فقط از ترکیب مواد آلی و آرایش ساختاری آن‌ها ناشی می‌شود.

اتصال مواد مختلف، به‌ویژه فلزات و کامپوزیت‌ها، یکی از چالش‌های مهندسی هوافضا است. اتصال‌دهنده‌های متداول علاوه‌بر افزایش وزن، ممکن است نقاط تمرکز تنش ایجاد کنند که به‌مرور به ترک‌خوردگی منجر می‌شوند.

پژوهشگران در سال ۲۰۲۰ تلاش کردند با الگوبرداری از زره سوسک، روش مقاوم‌تری برای اتصال قطعات مورد استفاده در هواپیماها پیدا کنند. آن‌ها اتصال‌دهنده‌ای از جنس کامپوزیت فیبرکربن ساختند که ساختاری شبیه قطعات درهم‌قفل‌شده‌ی پازل داشت. آزمایش‌ها نشان داد این اتصال‌دهنده به‌اندازه‌ی نمونه‌های رایج در صنعت هوافضا مستحکم است، اما تفاوت مهمی دارد: پیش از شکستن می‌تواند انرژی بیشتری جذب کند و در برابر شکست ناگهانی مقاومت بیشتری نشان دهد.

در سال ۲۰۲۳، گروه دیگری از دانشمندان از همین ایده برای مقاوم‌ترکردن سرامیک‌ها استفاده کردند. سرامیک‌ها معمولاً سخت و مستحکم‌اند، اما در برابر ضربه یا فشار بیش‌ازحد ممکن است ناگهان ترک بخورند و بشکنند. پژوهشگران با طراحی قطعات سرامیکی دارای اتصالات درهم‌قفل‌شونده، توانستند این مشکل را تا حدی کاهش دهند. نمونه‌های جدید در آزمایش شکست تا ۷۰۰ درصد انرژی بیشتری نسبت به طرح‌های ساده‌تر جذب کردند؛ یعنی پیش از شکستن توانستند انرژی بسیار بیشتری را تحمل کنند.

اما تازه‌ترین پیشرفت درپژوهشیدر سال ۲۰۲۶ به دست آمد. محققان نوعی اتصال ترمیمی پازل‌مانند طراحی کردند که می‌تواند برای تعمیر کامپوزیت‌های آسیب‌دیده‌ی هواپیماها به کار رود.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد اتصالات الهام‌گرفته از زره سوسک، در مقایسه با روش‌های رایج تعمیر کامپوزیت‌ها، پیش از شکستن می‌توانند ۳۰٫۴۷ درصد نیروی کششی بیشتری تحمل کنند. توانایی آن‌ها در تحمل فشار ناشی از خم‌شدن نیز ۸٫۶۵ درصد افزایش یافت. پژوهشگران این پیشرفت را نتیجه‌ی ترکیب هندسه‌ی پازل‌مانند و جهت‌گیری بهینه‌ی الیاف کامپوزیتی می‌دانند.

البته فناوری جدید هنوز در مرحله‌ی آزمایشگاهی قرار دارد و پیش از استفاده در هواپیماهای واقعی باید در شرایط عملیاتی بررسی شود. بااین‌حال، پژوهش‌ها نشان می‌دهند که ساختار دفاعی سوسکی کوچک می‌تواند الگویی برای طراحی اتصالاتی باشد که به‌جای شکستن ناگهانی، آسیب را به‌تدریج جذب و کنترل می‌کنند.