שילוב סיבים ייחודי, חיבור הדוק של הכנפיים לבטן ותפרי כנפיים דמויי רוכסן מאפשרים לחרק הצפון-אמריקאי לשרוד לפעמים אפילו דריסה תחת מכונית
"החיפושית המשוריינת השטנית" (Phloeodes diabolicus), הנפוצה במערב ארצות הברית, מפורסמת בעמידות הגבוהה שלה למעיכה וללחץ מכני. כנפי החפייה שלה, שתפקידן אצל חרקים רבים הוא להגן על כנפי התעופה, קשיחות עד כדי כך שהן מסוגלות לכופף סיכות פלדה, להציל את החיפושית מלהירמס תחת רגלי אדם ואפילו לאפשר לפעמים לחיפושית לשרוד דריסה של מכונית.
בדומה לחיפושיות אחרות, החיפושיות המשוריינות השטניות מתגוננות מטורפים בכמה דרכים. יש להן הסוואה, שמקנה להן מראה של חלוקי חצץ באורך של כשני סנטימטר, ויכולת להעמיד פנים שהן מתות כדי לשטות בטורפים. אולם, בשונה מרוב קרובות משפחתן, הן אינן מסוגלות לעוף למקום בטוח. במקום זאת, כלי ההגנה המשמעותי ביותר של החיפושיות המשוריינות השטניות הוא חוזקו של השלד החיצוני שלהן.
מכונית דורסת חיפושית משוריינת שטנית:
סודות השלד החיצוני
צוות חוקרים מארצות הברית החליט לבחון מהו סוד החוזק של השלד החיצוני הזה. ממצאיהם פורסמו לאחרונה בכתב העת Nature. ממדידות מכניות שערכו התברר שהשלד החיצוני של החיפושית המשוריינת השטנית מסוגל לעמוד בכוח שעולה פי 39 אלף על משקל גופה – הרבה יותר מעוצמת הלחיצה שאדם בוגר יכול להפעיל בין האגודל לאצבע שלו, ובערך פי עשרה מהכוח המרבי של לסתות הטורפים הפוטנציאליים באזור המחייה שלה.
השלד החיצוני של החיפושית, כמו של כל פרוקי הרגליים, מורכב מרב-סוכר בשם כיטין ומחומרים נוספים. כשבחנו את ההרכב הכימי של השלד החיצוני מצאו החוקרים שהכיטין, בשילוב עם חלבונים מסוימים, יוצר מבנים סיביים שמלופפים זה סביב זה. סיבים אלו משתלבים שכבות-שכבות למבנה חזק מאוד, שמסוגל לספוג אנרגיה רבה ולעצור התקדמות של סדקים שנוצרים בו. החוקרים מצאו כי חלק מהחוזק המבני של החיפושית המשוריינת השטנית נובע מהרכב החלבונים שנמצאים בשלד החיצוני שלה וביחס בינם לבין הכיטין, ששונים מאוד ממבנה השלד החיצוני של חיפושיות אחרות החיות באותה סביבה.
בהמשך סרקו החוקרים את גוף החיפושיות באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT), כדי לחקור את המבנה האנטומי שלהן. בסריקה נמצאו שתי תכונות מבניות ייחודיות לחיפושית המשוריינת השטנית: תפר מרכזי בצורה ייחודית שמחבר יחד את שתי כנפי החפייה שלה, ושלושה סוגים של חיבורים צדדיים שמחברים את הכנפיים הללו לבטנה.
נקודות החיבור בין משטחים וחומרים הן נקודות תורפה ידועות בתחום הנדסת החומרים, מכיוון שבדרך כלל מתרכז בהן לחץ רב והן מקור של חולשה מבנית. ריתוך, הדבקה או הצמדה מכנית הן הדרכים העיקריות שבהן בני האדם מתמודדים עם הסוגיה ההנדסית הזאת. מחקר החיפושית המשוריינת השטנית מאפשר הצצה על הדרכים שבהן הטבע "פותר" את הבעיה.
בעוד שאצל חיפושיות מעופפות החיבור בין כנפי החפייה נראה כמו זיז שנכנס לתוך גומחה, וכך מאפשר פתיחה וסגירה של הכנפיים בהמראה ובנחיתה, החוקרים מצאו כי התפר שמחבר את כנפי החפייה של החיפושית המשוריינת השטנית בנוי בצורת רוכסן, כלומר זיזים שנעולים זה בתוך זה וכך יוצרים מבנה אחיד וקשיח.
המבנה דמוי הרוכסן הופך את החיפושית המשוריינת השטנית לעמידה במיוחד. חתך של התפר המחבר את כנפי החפייה | צילום: Jesus Rivera / UCI
גמיש יותר, קשיח יותר, חזק יותר
השוואה למינים אחרים של חיפושיות מגלה כי לחיפושית המשוריינת השטנית יש הכי הרבה זיזים משולבים. החוקרים בדקו באמצעות הדמיה ממוחשבת ובהדפסת תלת-ממד של דגמים איך שינוי מספר הזיזים משפיע על תכונות החומר. נמצא ששני זיזים מספקים את העמידות הגבוהה ביותר מפני שבירה ואילו חמישה זיזים מעניקים את העמידות הגבוהה ביותר לעיוות. בנוסף נמצא כי לזיזים שבין כנפי החפייה של החיפושית המשוריינת השטנית יש צורה אליפטית, כך הלחץ שמופעל עליהן מתפזר בצורה אחידה יותר, בשעה שלחיפושיות אחרות יש זיז אחד שצורתו חצי-מעגלית או משולשת.
כשבוחנים חומרים טבעיים בעלי תכונות מכניות מרשימות, מגלים לא פעם שהן נובעות ממבנה היררכי של החומר, כלומר המבנה שלהם מיוחד החל בקנה המידה הננומטרי של המולקולות הבודדות וכלה בקנה מידה של כמה מילימטרים. כשבוחנים את המבנה של הזיזים בתפר שבין כנפי החפייה בקנה המידה של מיקרונים בודדים מגלים, כאמור, מבנה שכבתי. כשהחוקרים יצרו מבנה מלאכותי של זיזים מרובי שכבות והשוו אותו למבנה זהה ללא שכבות, נמצא כי המבנה הראשון קשיח יותר והצליח לעמוד בעומס רב יותר. בנוסף, המקומות שבהם הוא נסדק היו צפויים יותר ונוצרו באופן הדרגתי יותר. לתכונות אלה יש ערך הנדסי רב, כי הן מאפשרות מעקב ובקרה אחר חומרים כדי למנוע את שבירתם.
באשר לחיבורים של כנפי החפייה של החיפושית לבטנה, נמצא שהם נעשים בשלוש דרכים שונות – זיזים דמויי רוכסן, חיבור דמוי בריח, ושני משטחים שמתחככים זה בזה. מינים אחרים של חיפושיות מסתפקים בחיבור דמוי הרוכסן של הכנפיים לבטן. החיבור הזה אכן מעניק קשיחות וחוזק, אך שני האחרים נחוצים כדי לאפשר לרקמה לנוע ולהתעוות, וכך להסיט את אנרגיית הפגיעה. השילוב של שלושתם יחד מספקים אם כן לחיפושית המשוריינת השטנית חוזק וקשיחות, לצד גמישות שמאפשרת לה להידחס לחריצים בסלעים וגזעים.
ממצאי המחקר עשויים לסייע לבניית רובוטים דחיסים וכלי רכב משוריינים אך גמישים. בנוסף, הוא עשוי לפתוח דרכים חדשות לחיבור של חומרים ומשטחים, שישפרו את חוזקם, קשיחותם וגמישותם.
סרטון קצר של אוניברסיטת פרדו על המחקר (אנגלית):
