獨角仙生物學特性、鞘翅微觀結構及在仿生領域的應用

胡濟舟，李文堯

（1.上海星河灣雙語學校，上海 201108；2.上海工程技術大學，上海 201620）

獨角仙由卵長成幼蟲，幼蟲發展為一齡、二齡和三齡幼蟲，三齡幼蟲生長發育并蛻化成蛹，最后再從蛹中羽化為成蟲[1]。在經過數百萬年的進化之后，獨角仙演化出了各具特色的種群，有些種群的甲殼有著高強度和斷裂韌性、高抗擠壓和抗剝離能力，是一種力學性能優異的輕型生物復合材料，這樣優異的力學性能來自獨角仙獨特的鞘翅微觀結構。由于翅鞘的優良的機械性能，如高強度和韌性、各向異性和自我修復的能力，激勵著科研工作者研究其微觀結構以及在多個高端領域的應用[2]。本文簡單描述了獨角仙的生物學特性、鞘翅微觀結構及其性能，并總結了其在仿生領域的應用。

1 生物學特性

獨角仙成蟲一般體型較大，且雄雌異性（如圖1所示）。在野生自然環境下，獨角仙成蟲在初夏開始出現，最多見于6～7 月，到9 月則大部分都會死亡。成蟲白天多在落葉堆、土壤內或者腐質地等陰暗潮濕環境休息，具有趨光性和喜濕性。

獨角仙成蟲交配后，雌蟲會在1～2 周后產出乳白色或淡黃色圓形或橢圓形蟲卵（圖1a）。直徑約為3mm～ 5mm，重量不到1g。蟲卵在1～2 周后孵化為一齡幼蟲（圖1b，中間體型較小者），重量通常為1g～3g，身體直徑約5mm，頭顎寬約3mm～5mm。一齡幼蟲一個月內蛻皮為二齡幼蟲（圖1b，周圍3 只較大者），重量通常為5g～12g，身體直徑約7mm～12mm，頭顎寬為5mm～10mm。二齡幼蟲再次蛻皮為三齡幼蟲（圖1c），通體為乳白色，后期會呈黃白色，頭顎的顏色也變成黑褐色。在飼養條件大致相同的情況下，三齡階段可以通過重量區分雌雄，雌蟲通常10g～20g，雄蟲通常20g～35g。三齡幼蟲身體直徑長至2cm～3cm，頭顎寬度增加明顯，可達10mm 左右。

三齡幼蟲在5～6 個月后開始化蛹，雄蟲頭部長出長為1.5cm～3.0cm 且對稱的叉角，雌蟲則沒有。化蛹一個月左右后，獨角仙羽化變成成蟲（圖1d）。羽化過程持續12～24 小時，剛羽化的成蟲身體潮濕，鞘翅為白色且柔軟。羽化完成后，成蟲會在蛹室中進行為期10～12 天的蟄伏。蟄伏期中，成蟲靜待鞘翅干燥變硬，且呈黑色有光澤。雄成蟲體長約5cm～8cm，特征標志是有一對長約1.5cm～3.0cm、可活動的對稱四分叉角突和一對較短不可活動的雙分叉胸角（圖1e）。雌成蟲體長約3cm～6cm，無角突或胸角（圖1f）。成蟲的壽命通常在2 個月左右。

圖1 獨角仙成長階段

2 鞘翅微觀結構及其性能

獨角仙甲蟲的翅膀由前翅（也被稱為鞘翅）和后翅組成。鞘翅是比較堅硬的，甲蟲的功能翅膀是后翅，可以飛行。鞘翅是由交叉鋪層結構和中間的螺旋纏繞纖維柱構成。這種交叉鋪層結構實際上主要是由幾丁質纖維和蛋白質組成，幾丁質纖維層以螺旋方式延伸到小梁軸中間的纖維柱形成芯層結構，不僅能起到減重的作用，還大大加強了鞘翅整體的抗沖擊性能，進而提升鞘翅的斷裂韌性。東南大學陳錦祥團隊[3]以獨角仙和鍬形蟲為實驗對象，系統研究了甲蟲鞘翅的縱向剖面和橫向剖面，通過分析鞘翅斷面凹凸對接結構和拉伸應力-應變曲線，表明甲蟲鞘翅具有抗彎曲和抗扭曲的力學性能。

3 仿生應用

由前文對于獨角仙甲蟲鞘翅微觀結構及其性能的研究可以看出，其獨特的鞘翅結構具有輕質和高強度的特質，是一種優異的輕質復合材料。此外，基于鞘翅中幾丁質纖維層和小梁柱之間的空腔拓撲結構，可以仿照甲蟲鞘翅的結構設計具有空腔的材料，在空腔內填充一些多功能材料，比如吸能、隔熱等材料。因此，獨角仙獨特的鞘翅微觀結構及其力學性能可為設計一種新型輕質的仿生材料提供良好的思路，也為其在仿生領域的應用打下基礎。

3.1 熱防護系統

高超聲速飛行器在飛行過程中不僅會受到氣動熱的影響，還會受到氣動載荷的影響。因此，飛行器需要一個熱保護系統能夠承受氣動熱和氣動載荷，以減少結構損傷，特別是在前緣和前錐處。獨角仙鞘翅由于獨特的微觀結構賦予的優異性能，因而成為熱保護系統熱阻特性的有力候選材料。韓國建國大學Le 等人[4]首先觀察了甲蟲鞘翅的微觀結構，分別對切翅和活翅模型進行了傳熱實驗研究。結果表明，獨角仙甲蟲鞘翅的傳熱特性為設計熱防護系統提供了科學依據，了解獨角仙的鞘翅結構有利于設計飛行器有效的熱防護系統。

3.2 仿生建筑材料

獨角仙的鞘翅結構經過漫長的進化過程，已成為具有特殊生物功能的優良生物結構。蜂窩板是一種常見的復合材料結構，具有輕質、高強度的特點，已廣泛應用于航空、建筑以及公共交通等領域，在地震、洪水等自然災害應急工程中也發揮了重要作用，如應急橋梁建設、災民和軍隊臨時建筑等。東南大學陳錦祥團隊[5]對基于甲蟲鞘翅結構研發的仿生蜂窩板進行了長期深入的研究，雖然在制備過程中尚存在纖維含量低、成型時間長、無法準確仿制精確的鞘翅微觀結構等缺點，但依舊為鞘翅仿生結構的制備提供了一個嶄新的方向和平臺。

3.3 微型撲翼飛行器

近年來，小型自主或遙控飛行器（簡稱微型飛行器）在工程界引起了廣泛關注，大量應用于危險環境探測、偵察和搜救。然而飛行器在升力產生和飛行控制方面遇到了巨大的挑戰，因此，需要設計合理的仿生機翼來產生足夠的升力和較高的飛行性能。獨角仙擁有堅硬的前翅（鞘翅）和可折疊的后翅，而且鞘翅的旋轉角度和鎖翼系統是提高甲蟲飛行能力的重要特征，這些都引起了科技工作者對其機翼折疊機構和飛行運動學的研究興趣。韓國建國大學Phan 團隊[6]受獨角仙展翅的啟發，展示了如何使一個具有懸停功能的撲翼機器人實現機翼折疊（如圖2 所示），使撲翼機器人在碰撞后安全飛行。可折疊機翼為解決機翼碰撞問題提供了一種有效的方法，有助于提高機器人的辦事效率和安全性。

圖2 撲翼機器人折疊機翼的實現

4 總結

1.自然條件下，獨角仙從卵孵化經歷一齡、二齡和三齡幼蟲，再成長為成蟲，約需7 個月時間；成蟲為雌雄異型，具有堅硬的甲殼，有趨光性和喜濕性的特征[7]。

2.獨角仙鞘翅顯示了夾心板結構和中間有空隙層和小梁的框架結構，是具有拱形空腔的中空輕質生物復合材料，小梁中的幾丁質纖維層之間的曲線狀連續連接形成層合板復合材料結構。

3.獨角仙鞘翅生物復合材料有著優異的抗剝離結構和抗壓、抗彎等力學性能，是一種輕質、高強度的復合結構，其在仿生領域的研究有著極高的價值和意義，應用領域廣泛。