Comment ce scarabée peut-il survivre au passage d’une voiture sur son exosquelette ?
Pour les ingénieurs à la recherche de matériaux avancés et ultrarésistants, il peut être judicieux de s’inspirer du monde naturel, et le diabolique scarabée cuirassé (diabolical ironclad beetle ou Nosoderma diabolicum) constitue un bon point de départ. Cette créature peut se faire rouler dessus par une voiture et y survivre, et les scientifiques ont maintenant percé certains des secrets de cette incroyable robustesse qui, selon eux, ouvre la voie à une nouvelle variété de matériaux présentant des caractéristiques similaires.
Les recherches ont été menées par des ingénieurs de l’université Purdue (États-Unis) et se concentrent sur l’exosquelette incroyablement résistant du scarabée qui est l’un des plus solides de tous les arthropodes. Auparavant, ces structures ont inspiré des systèmes de suspension pour des véhicules militaires qui peuvent reprendre leur forme après avoir été déformés, et maintenant l’équipe de Purdue a découvert de nouveaux détails sur la façon dont la créature absorbe des impacts aussi importants.
Comme pour l’image d’entête, le scarabée Nosoderma diabolicum. (Kisailus Biomimetics and Nanostructured Materials Lab, Université de Californie, Irvine)
En utilisant des plaques d’acier compressées et des scanners, l’équipe a observé l’exosquelette du scarabée à l’œuvre sous des pressions croissantes, et elle a découvert qu’il peut supporter des charges d’au moins 39 000 fois son propre poids avant de se fracturer, ce qui équivaut à une force appliquée d’environ 150 newtons. À partir de là, l’équipe a utilisé des simulations informatiques et des modèles imprimés en 3D pour isoler les structures détaillées de l’exosquelette, ce qui a mis en évidence le rôle d’une suture connective (image ci-dessous) qui s’étend sur toute la longueur de l’abdomen du scarabée.
Cette suture se trouve entre les deux enveloppes des ailes du coléoptère, appelées élytres, bien que les cuirasses n’aient pas d’ailes. Au lieu de cela, la suture relie les élytres et les lames de l’exosquelette en dessous, aidant à distribuer la force uniformément sur le corps du scarabée par le biais de deux mécanismes complexes.
Coupe transversale de la suture médiane, là où les deux moitiés des élytres du scarabée se rencontrent. La configuration en forme de pièce de puzzle, lorsqu’elle est sollicitée et étirée, permet une élasticité qui empêche la rupture. (Jésus Rivera/ UCI)
Les lames de l’exosquelette s’emboîtent les unes dans les autres comme les pièces d’un puzzle, ce qui les empêche d’être arrachées sous l’effet d’une force importante. Pendant ce temps, la suture et les lames se divisent en couches. Ces deux mécanismes fonctionnent ensemble pour répartir la charge sur le scarabée et éviter des fractures fatales au niveau de son cou.
Le scarabée Nosoderma diabolicum est doté d’un exosquelette en lamelles qui s’assemblent comme des pièces de puzzle. (Université Purdue/ Maryam Hosseini et Pablo Zavattieri)
L’un des domaines dans lesquels l’équipe espère appliquer ces connaissances est celui des turbines des avions, où les métaux et les matériaux composites doivent être combinés à l’aide d’attaches mécaniques lourdes qui peuvent provoquer des fissures et des tensions au fil du temps.
Les ingénieurs ont créé une fixation en composite de fibres de carbone basée sur la structure de l’exosquelette du scarabée et ils ont réalisé des tests de charge, qui ont montré qu’elle était tout aussi solide et beaucoup plus résistante que les fixations utilisées aujourd’hui dans l’aérospatiale.
Selon l’auteur de l’étude, Pablo Zavattieri :
Ces travaux montrent que nous pourrions passer de l’utilisation de matériaux solides et fragiles à des matériaux qui peuvent être à la fois solides et résistants en dissipant l’énergie lorsqu’ils se brisent.
L’étude publiée dans Nature : Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle et présentée sur le site de l’université Purdue : This beetle can survive getting run over by a car. Engineers are figuring out how.