أنباء وآراء

دروس في الصلابة تقدمها لنا الخنافس الشيطانية

لاحظ باحثون وجود بِنى مثيرة للاهتمام، تربط بين أجزاء الدروع التي تتمتع بمقاومة كسر مذهلة في الخنافس الشيطانية المدرعة. وتتيح هذه الاكتشافات مقاربات جديدة لابتكار مفاصل صلبة ومتينة، لاستخدامها في التطبيقات الهندسية. 

بو-يو تشِن

  • Published online:
شكل 1. حشرة مقاوِمة للسحق. تمتلك الخنفساء الشيطانية المدرعة Phloeodes diabolicus هيكلًا خارجيًّا يبلغ من الصلابة حدًّا يُمَكِّن الحشرة من البقاء على قيد الحياة، حتى إذا دهستها سيارة.

شكل 1. حشرة مقاوِمة للسحق. تمتلك الخنفساء الشيطانية المدرعة Phloeodes diabolicus هيكلًا خارجيًّا يبلغ من الصلابة حدًّا يُمَكِّن الحشرة من البقاء على قيد الحياة، حتى إذا دهستها سيارة.

Credit: Getty

تتمتع الخنفساء االشيطانية المدرعة (Phloeodes diabolicus، في الشكل 1) بهيكل خارجي ذي متانة مدهشة، يتيح لها الصمود أمام هجمات المفترِسات، ويجعلها لا تتأثر بدهس المشاة لها، ولا حتى سَحْق السيارات. وفي بحث نُشر مؤخرًا في دورية Nature، كشف ريفيرا وزملاؤه1 سر مقاومة هذه الخنفساء للسحق. فقد توصل مؤلفو الدراسة، بالجمع بين تقنيات فحص مجهري متقدمة، واختبارات ميكانيكية، ومحاكاة حاسوبية، إلى أن مفاصل ذات طبقاتٍ متداخلة التعشيق، وتشكيلة من البِنَى الداعمة تربط بين الأجزاء المختلفة للهيكل الخارجي للخنفساء، وتُشَكِّل متانتها.

وغالبًا ما تُظهِر المواد الطبيعية، مثل تلك الموجودة في العظام، والأسنان، والأصداف، أداءً ميكانيكيًّا فريدًا ومثيرًا للإعجاب، إذ تجتمع فيها خواص معينة، مثل القوة، والصلابة، والقدرة على الالتئام الذاتي، على نحو لا يتحقق في المواد الهندسية التقليدية3،2. ويرجع تَميُّزها بهذه الخصائص في جانب منه إلى بِنْيتها التراتبية؛ فمكوناتها تتشكل من بِنى أو أنماط متكررة بنطاقات حجمية مختلفة، تتدرج من النطاقات الجزيئية، حتى تلك المرئية بالعين المجردة4. والأهم من ذلك، أن مناطق الاتصال البينية  التي توجد بين عناصر بِنْيتها، في مختلف النطاقات الحجمية6،5، تنتج آليات تآزرية7 تؤدي إلى تقوية الهيكل، وجَعْله صلبًا. ولذلك بُذلت جهود كثيرة في تطوير مواد مركِّبة مؤلَّفة من بِنى تراتبية مستوحاة من الطبيعة8.

وتتمثل إحدى هذه البِنى الملهمة في الهيكل الخارجي لمجموعة الكائنات الحية المنتمية إلى شعبة مفصليات الأرجل، التي تضم الحشرات واللافقاريات الأخرى ذات المفاصل، إذ يعمل الهيكل الخارجي لهذه الشعبة كدرع متعدد الوظائف، يتكون من ثلاث طبقات رئيسة: الخارجية منها تتألف من جُلَيْدة علوية مقاوِمة للماء، تليها طبقة تحتها تسمى الجُليدة الخارجية، ثم طبقتان أعمق تُعرَفان بالجُليدَتين الداخليتين. وتؤَمِّن هاتان الطبقتان الداخليتان حماية ودعمًا ميكانيكيًّا للكائن اللتان توجدان فيه. 

وفي هذه الجُليدات، تتحد جزيئات من عديد السكاريد -المعروف باسم "ألفا-كايتين" α-chitin- مع بروتينات، لتُكَوِّن أليافًا تتجمع لتُشَكِّل بِنى حلزونية ملتفّة. ويصنع تراص الألياف هكذا في هذه البِنى الملتفّة تركيبًا دقيقًا متعدد الطبقات (صفائحيّ الطبقات) في الجُلّيدة. ويتسم هذا التركيب بالصلابة والقدرة على امتصاص الطاقة (أي يستطيع امتصاص طاقة التصادم)، كما يتحمل الإصابة ببعض التلف، بفضل قدرته على الانثناء والالتواء، واحتواء تفاقم الشروخ في مناطق الاتصال البينية الموجودة بين الطبقات7،6، بيد أن هذه الخواص الفطرية في الجُليدات الكايتينية ليست كافية لتفسير الصلابة المذهلة التي يتميز بها الهيكل الخارجي لهذه الخنفساء. 

تمتلك الخنافس الطائرة جناحين أماميين قويين (جناحين غمديين)، وهما يحميان الجناحين الخلفيين اللذين يُستخدمان في الطيران، غير أن الخنفساء الشيطانية المدرعة فقدت القدرة على الطيران، وأصبح جناحاها الغمديان مثَبتَين إلى بعضهما البعض بشكل دائم، وذلك ما يوفر لها حماية ضد المفترسات. وقد أجرى ريفيرا وزملاؤه اختبارات لهياكل خارجية كاملة من هذه الخنافس، لقياس قدرتها على تحمل مقادير كبيرة من الضغط، بقصد فحص مدى صلابة هذه الهياكل.

وقد وجد الباحثون أن هذه الحشرات الصغيرة (طولها حوالي سنتيمترين) تستطيع أن تتحمل ضغطًا يصل حده الأقصى إلى 149 نيوتن، وهو ما يناظر تقريبًا وزنًا يبلغ 15 كيلوجرامًا. ويعادل هذا الوزن حوالي 39 ألف ضعف وزن جسم الخنفساء، ويربو هذا الضغط بمقدار عشر مرات تقريبًا على قوة العضّ التي تتمتع بها فكوك المفترِسات المحتمَلة للخنفساء. وهذا يفوق أيضًا، بشكل ملحوظ، الوزن الذي قد تتحمله الهياكل الخارجية لثلاث خنافس برية أخرى تم اختبارها في تجارب الباحثين.

بعد ذلك.. أجرى ريفيرا وزملاؤه تحليلًا لتركيب الهيكل الخارجي للخنفساء الشيطانية المدرعة، وقاموا بتوصيف الخصائص البنيوية الدقيقة له. وقد أظهرت التحاليل أن الهيكل الخارجي غني بالبروتين، لكنه لا يحتوي على فلزات غير عضوية (كما في حال الهياكل الخارجية للقشريات)، وأن الجُليدة الداخلية لهيكل الخنفساء تزيد في السُّمك بدرجة كبيرة عن سُمْك الطبقة المناظِرة لها في الحشرات الأخرى. وربما يعزز هذا السُّمْك قدرة الهيكل الخارجي على امتصاص طاقة الاصطدام، لكنه يظل غير كاف لتفسير صلابته.

وباستخدام تقنية تسمى "التصوير المقطعي الميكروي المحوسب"، واصل ريفيرا وزملاؤه عملهم، لينتهي بهم الحال إلى رصد بعض الصفات المدهشة في مناطق الاتصال البينية في الهيكل الخارجي (الشكل 2)، تتمثل في وجود دعائم جانبية في هذه المناطق بين الجناحين الغمديين، والجُليدة البطنية (القشرة الصلبة للناحية السفلية للخنفساء)، إضافة إلى مفصل صلب يُعرف باسم "الدرز"، يضمّ الجناحين الغمديين معًا بصورة دائمًا. وقد تبين أيضًا أن ثمة ثلاثة أنواع مختلفة من الدعائم الجانبية، توجد في مناطق بعينها، ممتدة من الأمام إلى الخلف في الهيكل الخارجي. ويصف الباحثون النوع الأول من هذه الأنواع الثلاثة بأنه متشابك على نحو يشبه تشابُك أصابع اليدين، والنوع الثاني بأنه يُشبه المزلاج. أما الثالث، فيوصف بأنه قائم بذاته، وذلك اعتمادًا على التركيب الهندسي لمناطق الاتصال البينية. ولا يوجد مثل هذا التباين في بِنْية مناطق الاتصال البينية عند الخنافس الأخرى، التي لا تمتلك في جسمها كله سوى الدعائم المتشابكة كالأصابع.

شكل 2. مفاصل ومناطق اتصال بينية صلبة. تبيِّن الدراسة التي قام بها ريفيرا وزملاؤه1 أن نوعية المفاصل والدعائم الموجودة في الهيكل الخارجي للخنفساء الشيطانية المدرعة تساعد على تفسير مقاومة الحشرة المذهلة للسحق. فهناك مفصل يُعرف باسم "الدرز"، يربط بإحكام بين جناحي الحشرة الأماميين القويين (الغِمْديين). ويتكون الدرز من بِنى إهليجية متشابكة تسمى "النصال". ويعزز هذا التركيب المتشابك، إلى جانب البِنى الدقيقة متعددة الطبقات للنصال (التي لا تظهر في الصورة)، من صلابة الدرز. وهناك ثلاثة أنواع من الدعائم الجانبية التي تصل بين الجُلَيْدة البطنية للحشرة، والجناحين الغمديين، هي دعائم متشابكة كالأصابع، ودعائم مزلاجية، ودعائم قائمة بذاتها. وتتميز المفاصل ذات الدعائم المتشابكة كالأصابع بأنها الأصلب والأقوى تحت الضغط، بينما تتيح الدعائم المزلاجية والقائمة بذاتها تغيُّر شكل الهيكل الخارجي عند تعرضه للضغط.

شكل 2. مفاصل ومناطق اتصال بينية صلبة. تبيِّن الدراسة التي قام بها ريفيرا وزملاؤه1 أن نوعية المفاصل والدعائم الموجودة في الهيكل الخارجي للخنفساء الشيطانية المدرعة تساعد على تفسير مقاومة الحشرة المذهلة للسحق. فهناك مفصل يُعرف باسم "الدرز"، يربط بإحكام بين جناحي الحشرة الأماميين القويين (الغِمْديين). ويتكون الدرز من بِنى إهليجية متشابكة تسمى "النصال". ويعزز هذا التركيب المتشابك، إلى جانب البِنى الدقيقة متعددة الطبقات للنصال (التي لا تظهر في الصورة)، من صلابة الدرز. وهناك ثلاثة أنواع من الدعائم الجانبية التي تصل بين الجُلَيْدة البطنية للحشرة، والجناحين الغمديين، هي دعائم متشابكة كالأصابع، ودعائم مزلاجية، ودعائم قائمة بذاتها. وتتميز المفاصل ذات الدعائم المتشابكة كالأصابع بأنها الأصلب والأقوى تحت الضغط، بينما تتيح الدعائم المزلاجية والقائمة بذاتها تغيُّر شكل الهيكل الخارجي عند تعرضه للضغط.

كبر الصورة

وقد فحص ريفيرا وزملاؤه الأداء الميكانيكي لهذه الأنواع الثلاثة من الدعائم الجانبية، باستخدام اختبارات ضغط ومحاكاة حاسوبية، ولاحظوا أن الدعائم المتشابكة كالأصابع هي الأقوى والأكثر صلابة عند التعرّض للضغط. وتتسم الدعائم التي تشبه المزلاج  بأنها أقل صلابة، إذ تسمح بدرجة من التشوُّه، أو تغيُّر شكل الهيكل الخارجي، لا تتيحها الدعائم المتشابكة كالأصابع. وكشفت تقنية المسح بالمجهر الإلكتروني أيضًا أن السطوح التي تتلامس مع بعضها البعض في هذه الدعائم الشبيهة بالمزلاج مغطاة بكثافة بنتوءات دقيقة عصوية الشكل، وهو ما قد يعزز تشبُّث كل سطح بالآخر عند احتكاكهما ببعضهما البعض. أما الدعائم القائمة بذاتها، فهي ليست متصلة بقوة بالجناحين الأماميين الغمديين والجُليدة البطنية، ومن ثم تسمح للسطحين بالانزلاق بسهولة على بعضهما البعض عند التعرّض للضغط.

وقد استنتج الباحثون أن الدعائم المتشابكة كالأصابع، التي تتميز بالقوة والصلابة، تفيد في حماية الأعضاء الحيوية في جسم الخنفساء من السحق، بينما تسمح الدعائم القابلة للتطويع، التي تشبه المزلاج، وتلك القائمة بذاتها، بتغيير شكل الهيكل الخارجي، بحيث تستطيع الخنفساء أن تضغط جسدها لتمُرّ خلال شقوق الصخور، أو لحاء الأشجار. وتتمتع الصراصير بقدرة مشابِهة على تغيير شكلها، ألهمت تصميم روبوتات قابلة للانضغاط، تستطيع أن تحشر نفسها وتتحرك في فراغات ضيقة9. ويمكن استخدام مثل هذه الروبوتات للبحث عن الناجين في المباني التي تداعت بسبب الكوارث. والآن، ربما تغدو البِنى الداعمة المتنوعة وظيفيًّا، الموجودة في الخنفساء الشيطانية المدرعة، مصدرًا لاستلهام تصميمات لروبوتوتات قابلة للانضغاط، أو مركَبات مدرعة.

وتتألف في العادة المفصلات بين الجناحين الغمدَيين في الخنافس الطائرة من بِنْية أشبه بالحز واللسان، تيسر الفتح والغلق المتكررَين للجناحين الغمديين في أثناء الطيران والهبوط10. وفي المقابل، فإن الدرز بين الجناحين الغمديين في الخنفساء الشيطانية المدرعة يحتوي على بِنى متشابكة تشبه أحجيات التركيب، تُعرف بالنصال (شكل 2). وقد درس ريفيرا وزملاؤه كيف يؤثر عدد النصال، وتركيبها الهندسي، وخواصها البنيوية الدقيقة، على الأداء الميكانيكي للدروز، وذلك باستخدام مزيج من المحاكاة الحاسوبية، إلى جانب اختبارات ميكانيكية لنماذج من هذه الدروز، صُنعت باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

وقد أفاد الباحثون بأن الدروز التي تحتوي على نصال ذات تراكيب هندسية إهليجية في الخنفساء الشيطانية المدرعة كانت -بوجه عام- أكثر صلابة من تلك التي تحتوي على نصال نصف كروية، أو مثلثة، في خنافس اليابسة الأخرى. وكانت الدروز التي تم إنتاجها بالطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تتألف من نصلين، هي الأكثر صلابة، بينما كانت تلك المكونة من خمسة نصال هي الأكثر مقاوَمة للتشوُّه، إذ تحملت أكبر قدر من الضغط قبل أن تنكسر. ولهذا السبب، فإن تحسين تركيب الدروز يتضمن الموازنة بين الصلابة، ومقاومة التشوُّه والكسر.

وأخيرًا، استطاع ريفيرا وزملاؤه صنع نصال تشبه أحجيات التركيب، ذات تركيب صفائحي دقيق، يحاكي تركيب الهيكل الخارجي للخنفساء، ثم قارنوا بينها وبين نوعين من النصال التي تفتقر إلى هذا التركيب الدقيق. وكانت النصال الصفائحية المستوحاة من الخنفساء أكثر صلابة من النوعين الآخرين، وامتصت قدرًا أكبر من طاقة الاصطدام.

والمفاصل التي يشيع استخدامها للربط بين المواد في التطبيقات الهندسية تتعرض غالبًا للكسر عند المنطقة الأقل سُمْكًا فيها، وهي المنطقة التي يتركز عندها إجهاد الشد، وهو ما يؤدي إلى فشل هيكلي كارثي مفاجئ11. وفي المقابل، فإن النصال المستلهَمة من تركيب الخنفساء البيولوجي، التي صنعها ريفيرا وزملاؤه، أدى تعريضها لإجهاد شَدّ إلى انفصال طبقات منها، وهو ما تَسبَّب في إحداث تمدد جانبي لمنطقة عنق النصل، بحيث أمكن للنصال المتشابكة أن تتشابك ببعضها البعض على نحو أكثر إحكامًا.

ويتسم انكسار النصال الصفائحية بأنه يحدث بصورة أكثر تدرجًا، ويمكن التنبؤ به على نحو أفضل، مقارنة بانكسار المفاصل المستخدَمة في التطبيقات الهندسية، وذلك لأن كسور النصال الصفائحية تُكوِّن في البداية شروخًا غير متفاقمة عند أطرافها. ومن ثم، إذا قُدِّر لهذه النصال المستلهَمة من التركيب البيولوجي للخنفساء أن تُستخدَم في صنع مواد تعمل كمفصلات في التطبيقات العملية، سيكون بالإمكان فحص هذه المواد بانتظام، بقصد منع حدوث هذه الشروخ، ومنع وصولها إلى درجة الكسر التام، وبالتالي، من شأن تلك النصال أن تكون آمنة وموثوقة بدرجة أكبر من المواد التي تُستخدم في صنع المفاصل حاليًّا، غير أننا ما زلنا بحاجة إلى إخضاع تلك النصال التي صنعها ريفيرا وزملاؤه لمزيد من الدراسة، لتحديد خصائصها عند التعرّض للضغط، والثني والالتواء، على سبيل المثال، من أجل اكتشاف طرق تعرُّضها للإجهاد بمرور الزمن، قبل النظر في إمكان استخدامها في التطبيقات.

ويركز عمل هؤلاء الباحثين بشكل رئيسي على الأداء الميكانيكي في النطاقات الحجمية، التي تتراوح من النطاق الملِّيمتري إلى النطاقات المرئية بالعين المجردة، مع الأخذ في الاعتبار سلوك مناطق الاتصال البينية، والتراكيب الصفائحية الدقيقة للجناحين الغمديين بالخنفساء الشيطانية المدرعة، غير أن تأثير الخصائص البنيوية عند المستويات التراتبية المنخفضة (أي نطاقات الأحجام الأصغر) على الجناحين الغمديين يظل بحاجة إلى مزيد من الدراسة، باستخدام تجارب ونماذج ذات نطاقات حجمية متعددة. وربما تعمل التقنيات الحديثة12، التي تَستخدم الذكاء الاصطناعي وتعلُّم الآلة، على إسراع وتيرة البحث عن مواد ذات بِنى تراتبية، بالاستناد إلى المعلومات التي تم استقاؤها من خصائص الجناحين الغمديين لهذه الخنفساء، اللذين يتفوقان في خصائصهما الميكانيكية على المواد المتاحة حاليًّا فيما يخص التطبيقات الهندسية.

وفي الوقت ذاته، تُعَد مقاربة ريفيرا وزملائه، التي تدمج بين الطرق المتطورة لتحديد الخصائص، والاختبارات الميكانيكية، وعمليات المحاكاة، والطباعة ثلاثية الأبعاد، بمثابة نموذج تنطلق منه دراسات مواد طبيعية أخرى مبهِرة تملك هذا التكوين المعقد. كما يبين عمل أولئك الباحثين أنّ علينا ألا نستهين أبدًا بقدرات الحشرات.

 

References

  1. Rivera, J. et al. Nature 586, 543–548 (2020). | article
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J. & Chen, P.-Y. Science 339, 773–779 (2013). | article
  3. Chen, P.-Y., McKittrick, J. & Meyers, M. A. Prog. Mater. Sci. 57, 1492–1704 (2012). | article
  4. Naleway, S. E., Porter, M. M., McKittrick, J. & Meyers, M. A. Adv. Mater. 27, 5455–5476 (2015). | article
  5. Dunlop, J. W. C., Weinkamer, R. & Fratzl, P. Mater. Today 14, 70–78 (2011). | article
  6. Barthelat, F., Yin, Z. & Buehler, M. J. Nature Rev. Mater. 1, 16007 (2016). | article
  7. Huang, W. et al. Adv. Mater. 31, 1901561 (2019). | article
  8. Yaraghi, N. A. & Kisailus, D. Annu. Rev. Phys. Chem. 69, 23–57 (2018). | article
  9. Jayaram, K. & Full, R. J. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, E950–E957 (2016). | article
  10. Sun, J. & Bhushan, B. RSC Adv. 2, 12606–12623 (2012). | article
  11. Malik, I. A., Mirkhalaf, M. & Barthelat, F. J. Mech. Phys. Solids 102, 224–238 (2017). | article
  12. Gu, G. X., Chen, C.-T., Richmond, D. J. & Buehler, M. J. Mater. Horiz. 5, 939–945 (2018). | article

بو-يو تشِن

يعمل في قسم علوم المواد والهندسة في جامعة تسنج هوا الوطنية، سين شو 300044، تايوان، جمهورية الصين.

البريد الإلكتروني: poyuchen@mx.nthu.edu.tw