材料科學與工程發展迄今，面臨許多瓶頸，仍有許多困難的挑戰。不過，這些問題或許可在一種常見於美國西岸乾旱地區的「惡魔鐵鎧甲蟲」(Diabolical Ironclad Beetle)身上找到解方。

國立清華大學陳柏宇教授獲國際頂尖期刊《自然》(Nature)1邀請，從材料科學工程的觀點，撰寫科普性的新知評論(News & Views)介紹美國加州大學爾灣分校與普渡大學團隊對「惡魔鐵鎧甲蟲」超耐壓外殼所做的研究。這些新知與陳教授致力的研究互相契合，都是師法自然，用以啟發更輕更強更韌的仿生結構材料。

這種其貌不揚的甲蟲身懷絕技，堅硬的外殼讓它幾乎沒有天敵，能活7到8年，踩不扁、捏不碎、大頭針無法刺穿、被汽車輾過還能存活，可承受3.9萬倍其體重的壓力。

鐵鎧甲蟲的外殼其實不含鐵或礦物質，和其他昆蟲一樣由幾丁質和蛋白質所組成。其超抗壓能力源自兩種關鍵的結構設計：(1)具功能梯度『剛柔並濟』的側向支撐。(2)拼圖狀的榫接結構將翅鞘緊密相連，其層狀的微結構受力時，層與層間形成微小裂縫，造成體積膨脹，使突起與凹槽扣鎖得更緊密，可大幅提升韌性與可靠度。

陳柏宇表示，有別於人造材料之性質常取決於材料選擇，生物材料最擅長的是結構設計，常用的策略則是「減法」和「乘法」，高效運用有限的材料達到輕量化並藉由不同尺度結構間的強化/增韌機制大幅提升性質與功能。然而，其複雜的多階層結構使仿生材料的製程困難度提高，成本大幅增加，限制其發展應用。如何找出關鍵而可行的最佳化結構設計，跳脫「仿」生的框架，邁向生物「啟發」的新思維，人工智慧扮演重要的角色。

「惡魔鐵鎧甲蟲」只是自然界眾多具優異性能的範例之一。此發現可望解決不同材料的接合處因應力集中於較窄的頸部，造成脆性斷裂而提早失效的問題，可應用於航太、機械工程、建築等領域。【記者  鄭昱庭整理報導】