El 'diabólico' escarabajo que no muere aunque sea atropellado

El diabólico escarabajo acorazado ('Phloeodes diabolicus') de América del Norte no tiene el dinamismo visual de algunos de sus primos escarabajos más brillantes, y se parece más a un pequeño trozo de corteza retorcida o piedra.

Pero lo que le falta en deslumbramiento, lo compensa en durabilidad: su exoesqueleto es uno de los materiales más resistentes del mundo natural. Ahora los científicos pueden haber descubierto finalmente sus secretos y están comenzando a aplicarlos a nuevos materiales, recoge 'Science Alert'.

No solo es increíblemente difícil para los depredadores atacar, se sabe que el diabólico escarabajo acorazado sobrevive no solo a los pisadas humanas, sino también al atropello de coches. Su exoesqueleto es tan duro que los entomólogos han encontrado un desafío montar el escarabajo para exhibirlo con alfileres de acero.

Investigación de las propiedades físicas y mecánicas

Aunque no puede volar, las habilidades de supervivencia del insecto están por las nubes. Y los científicos acaban de utilizar un conjunto de herramientas para descubrir las propiedades físicas y mecánicas que le dan al diabólico escarabajo acorazado su increíble fortaleza.

"El acorazado es un escarabajo terrestre, por lo que no es liviano y rápido, sino que está construido más como un pequeño tanque", explicó el científico de materiales David Kisailus de la Universidad de California en Irvine.

"Esa es su adaptación: no puede volar, así que simplemente se queda quieto y deja que su armadura especialmente diseñada tome el abuso hasta que el depredador se rinda".

El pequeño escarabajo mide poco más de un centímetro de largo y pasa su tiempo arrastrándose por los desiertos del suroeste de América del Norte, acechando bajo las rocas o bajo la corteza de los árboles. El equipo recolectó sus escarabajos de la región de Inland Empire de California.

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Primero, llevaron a cabo pruebas de compresión de placas de acero de todo el exoesqueleto para determinar cuánta fuerza podía soportar el escarabajo, comparando los resultados con otras especies de escarabajos de la misma región con depredadores similares, como pájaros picadores, y la misma estrategia de defensa, jugando muerto.

Los escarabajos similares pudieron soportar una carga máxima media de 68 Newtons. El diabólico escarabajo acorazado, por el contrario, podría soportar una fuerza máxima de 149 Newtons, es decir 39.000 veces su propio peso corporal. Imagínate el peso de tener 39.000 clones apilados encima de ti.

De todos modos, el siguiente paso fue tratar de averiguar cómo el pequeño escarabajo hace lo que hace, para lo que el equipo empleó espectroscopía, microscopía electrónica de barrido y tomografías computarizadas para estudiar de cerca la capa dura.

También realizaron simulaciones y utilizaron modelos impresos en 3D para verificar sus hallazgos.

La arquitectura y la composición del material de todo el exoesqueleto explica parte de la dureza; pero la clave, encontraron los investigadores, estaba en los élitros.

En los escarabajos voladores, los élitros (cada una de las alas rígidas y duras que tienen los insectos coleópteros) son las alas delanteras duras que actúan como cubiertas de alas para proteger las alas posteriores con venas más delicadas que el insecto usa para volar.

Debido a que el diabólico escarabajo acorazado no vuela, sus élitros se han endurecido aún más y se han unido a lo largo de una línea de sutura para actuar más como una armadura.

Este exoesqueleto, encontró el equipo, está compuesto de quitina, un material fibroso derivado de la glucosa, y una matriz proteica. Cuando compararon el exoesqueleto del diabólico escarabajo acorazado con el de un escarabajo similar, encontraron que el acorazado tenía significativamente más proteínas, aproximadamente un 10 por ciento más en peso.

Pero la línea de sutura a lo largo de la cual se fusionan los élitros del escarabajo terminó jugando un papel crucial en su dureza.

"La sutura actúa como un rompecabezas", apuntó el científico de materiales Pablo Zavattieri de la Universidad Purdue. "Conecta varias hojas exoesqueléticas, piezas de un rompecabezas, en el abdomen debajo de los élitros".

Cuando el equipo miró más de cerca para observar cómo funcionaban estas estructuras entrelazadas bajo presión, encontraron algo interesante.

En lugar de romperse, como era de esperar que hicieran las piezas de un rompecabezas, las microestructuras dentro de las hojas exoesqueléticas dieron paso a la fracturación paralela en capas, un proceso conocido como delaminación.

Esto es ayudado por una capa de pelos microscópicos llamada microtrichia en las superficies externas de las cuchillas que aumentan la fricción, evitando que los bordes entrelazados se deslicen. Esta combinación de características permite que los élitros se deformen más suavemente, lo que disipa la energía de manera más uniforme y evita que el exoesqueleto se rompa y mate al insecto.

"Cuando rompes una pieza de un rompecabezas, esperas que se separe por el cuello, la parte más delgada", señaló Kisailus. "Pero no vemos ese tipo de división catastrófica con esta especie de escarabajo. En cambio, se deslamina, proporcionando una falla más elegante de la estructura".

Este descubrimiento podría allanar el camino para el desarrollo de materiales más duraderos para superar los desafíos de ingeniería. Esto podría conducir, por ejemplo, a motores de aeronaves más seguros, que emplean sujetadores que agregan tensión estructural que disminuyen la durabilidad del motor en general.

Los investigadores construyeron un sujetador de motor de avión utilizando material de fibra de carbono e imitando la estructura de rompecabezas de la sutura del diabólico escarabajo acorazado. Después de realizar pruebas de carga, encontraron que su sujetador era tan fuerte como los sujetadores que se usan actualmente, pero significativamente más resistente.

"Un desafío de ingeniería activo es unir diferentes materiales sin limitar su capacidad para soportar cargas", apuntó el ingeniero mecánico David Restrepo de la Universidad de Texas en San Antonio. "El diabólico escarabajo acorazado tiene estrategias para sortear estas limitaciones".