سوسکی که زیر چرخ خودرو زنده می‌ماند، الهام‌بخش روش جدید تعمیر هواپیما شد
زره فوق‌العاده بادوام این سوسک کوچک که می‌تواند فشار چرخ ماشین را تحمل کند، الهام‌بخش ایجاد بست‌های قوی‌تر برای تعمیر بدنه هواپیما است.
بیشتر حشرات هنگام مواجهه با خطر فرار می کنند یا پنهان می شوند. اما سوسک زرهی شیطانی (Phloeodes diabolicus) استراتژی متفاوتی برای بقا دارد. این حشره بدون پرواز که تنها دو سانتی متر طول دارد زرهی دارد که حتی فشار عبور از چرخ ماشین را هم تحمل می کند.
راز مقاومت فوق العاده سوسک به سختی پوسته آن محدود نمی شود. زره این حشره از ساختارهای به هم پیوسته مانند قطعات پازل تشکیل شده است که در اثر فشار شدید انرژی را جذب کرده و از شکستن ناگهانی پوسته جلوگیری می کند.
در سال ۲۰۲۰، محققان دانشگاه کالیفرنیا در دانشگاه ارواین و پوردو ساختار زره سوسک را با استفاده از تصویربرداری اشعه ایکس، آزمایش‌های مکانیکی و مدل‌سازی سه‌بعدی بررسی کردند.
به گزارش ZME Science، نتایج نشان داد که اسکلت بیرونی این حشره می تواند نیرویی حدود ۱۵۰ نیوتن را قبل از شکستن تحمل کند. معادل تقریباً ۳۹ هزار برابر وزن بدن یک سوسک. برای مقایسه، عبور چرخ ماشین از روی این حشره در سطح زمین حدود ۱۰۰ نیوتن نیرو وارد می کند.
راز این مقاومت در مفاصل پازل مانند پوشش های سخت بال سوسک نهفته است. هنگامی که فشار اعمال می شود، قطعات به هم پیوسته نیرو را توزیع می کنند و از شکافتن زره جلوگیری می کنند.
اگر فشار بیش از حد افزایش یابد، لایه های میکروسکوپی زره به تدریج از یکدیگر جدا می شوند. این فرآیند که “لایه بندی” نام دارد به جذب انرژی و جلوگیری از شکست ناگهانی کمک می کند. نکته جالب این است که زره سوسک فاقد مواد معدنی است و مقاومت استثنایی آن تنها از ترکیب مواد آلی و آرایش ساختاری آنها ناشی می شود.
اتصال مواد مختلف به ویژه فلزات و کامپوزیت ها یکی از چالش های مهندسی هوافضا است. بست های معمولی علاوه بر اضافه کردن وزن، ممکن است نقاط تمرکز تنش ایجاد کنند که در نهایت منجر به ترک خوردن شود.
در سال ۲۰۲۰، محققان سعی کردند با مدل سازی زره سوسک، روش مقاوم تری برای اتصال قطعات مورد استفاده در هواپیماها پیدا کنند. آنها یک رابط کامپوزیت فیبر کربنی ایجاد کردند که ساختاری شبیه قطعات پازل به هم پیوسته داشت. آزمایشات نشان داده است که این کانکتور به اندازه نمونه های رایج در صنعت هوافضا قوی است، اما با یک تفاوت مهم: می تواند انرژی بیشتری را قبل از شکستن جذب کند و در برابر خرابی ناگهانی مقاومت بیشتری دارد.
در سال ۲۰۲۳، گروه دیگری از دانشمندان از همین ایده برای مقاوم‌تر کردن سرامیک‌ها استفاده کردند. سرامیک ها معمولاً سخت و مستحکم هستند، اما در اثر ضربه یا فشار بیش از حد ممکن است ترک بخورند و ناگهان بشکنند. محققان با طراحی قطعات سرامیکی با اتصالات به هم پیوسته توانستند این مشکل را تا حدودی کاهش دهند. نمونه های جدید تا ۷۰۰% انرژی بیشتری را در تست شکست نسبت به طرح های ساده تر جذب کردند. یعنی قبل از شکستن می توانستند انرژی بسیار بیشتری را تحمل کنند.
اما جدیدترین پیشرفت در تحقیقی در سال ۲۰۲۶ به دست آمد. محققان یک مفصل تعمیری شبیه اره مویی طراحی کرده اند که می تواند برای تعمیر کامپوزیت های هواپیما آسیب دیده استفاده شود.
در روش‌های مرسوم، وصله تعمیری به قسمت آسیب‌دیده متصل می‌شود، اما ممکن است اتصال به نقطه ضعف سازه تبدیل شود. طراحی جدید از اتصالات به هم پیوسته برای توزیع بهتر نیرو و ایجاد مشکل در انتشار ترک ها استفاده می کند.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که اتصالات الهام‌گرفته از زره سوسک در مقایسه با روش‌های مرسوم تعمیر کامپوزیت‌ها، می‌توانند قبل از شکستن، ۳۰.۴۷ درصد نیروی کششی بیشتری را تحمل کنند. توانایی آنها در تحمل فشار ناشی از خم شدن نیز ۸.۶۵ درصد افزایش یافته است. محققان این پیشرفت را نتیجه ترکیب هندسه پازل مانند و جهت گیری بهینه الیاف کامپوزیت می دانند.
البته فناوری جدید هنوز در مرحله آزمایشگاهی است و قبل از استفاده در هواپیماهای واقعی باید در شرایط عملیاتی آزمایش شود. با این حال، تحقیقات نشان می دهد که ساختار دفاعی سوسک کوچک می تواند الگویی برای طراحی اتصالاتی باشد که به جای شکستن ناگهانی، آسیب را به تدریج جذب و کنترل می کند.
