Originaire des régions désertiques du sud de la Californie, le scarabée diabolique possède l’une des structures externes les plus solides du règne animal — © David Kisailus / UCI

Une équipe de chercheurs américains a récemment percé les secrets de la résistance hors normes du « diabolique scarabée à tête de fer », un coléoptère cuirassé capable de survivre à deux passages sous les roues d’un véhicule d’1,6 tonne.

Une résistance à (presque) toute épreuve

Lors d’expériences réalisées en 2015, des scientifiques de l’université de Purdue avaient constaté que Nosoderma diabolicum pouvait survivre à deux écrasements successifs par une Toyota Camry. Récemment présentés dans la revue Nature, leurs nouveaux travaux se sont spécifiquement concentrés sur l’exosquelette incroyablement robuste de cette espèce de coléoptère, afin de déterminer comment cette structure pouvait supporter de telles contraintes.

S’appuyant sur différentes techniques d’imagerie à haute résolution et l’utilisation de plaques d’acier compressées, l’équipe a pu observer le comportement de l’exosquelette du scarabée sous des pressions croissantes et découvert que la structure pouvait supporter des charges 39 000 fois supérieures au poids total de la créature avant de se fissurer, ce qui équivaut à une force exercée d’environ 150 newtons.

Les chercheurs ont ensuite utilisé des simulations informatiques et des modèles imprimés en 3D afin d’isoler les différentes structures de l’exosquelette de façon détaillée, ce qui a permis de mettre en évidence le rôle d’une suture connective s’étendant sur toute la longueur de l’abdomen du scarabée.

Localisée entre les deux élytres (enveloppes servant à protéger les ailes chez les espèces en étant pourvues) rigides du coléoptère, la suture relie ces derniers aux lames de l’exosquelette, situées juste en dessous, contribuant ainsi à distribuer uniformément les forces appliquées sur le corps de l’insecte par le biais de deux processus complexes.

Coupe transversale de la suture médiane, où les deux moitiés des élytres du scarabée se rencontrent, révélant la configuration en forme de pièce de puzzle, qui lorsqu’elle est sollicitée et étirée, permet une élasticité empêchant la rupture — © Jesus Rivera / UCI

À l’instar des pièces d’un puzzle, les lames de l’exosquelette s’emboîtent les unes dans les autres, ce qui les empêche d’être arrachées sous l’effet d’une force importante. Pendant ce temps, la suture et les lames se divisent en couches concentriques. Ces deux mécanismes fonctionnent ensemble pour répartir la charge sur le scarabée et éviter des fractures fatales au niveau de son cou.

Des matériaux à la fois rigides et résistants inspirés par le coléoptère

Selon les chercheurs, s’appuyer sur une telle approche se révèlerait particulièrement utile pour la conception des turbines à gaz des avions, où métaux et matériaux composites doivent être combinés à l’aide de fixations mécaniques lourdes qui peuvent engendrer d’importantes tensions et contraintes au fil du temps, induisant un risque de fissure.

Des tests effectués sur un prototype de fixation en composite de fibres de carbone, basé sur la structure de l’exosquelette du scarabée diabolique, ont ainsi montré que celui-ci présentait une résistance semblable à l’enveloppe du coléoptère, se révélant largement supérieure à celle des fixations actuellement utilisées dans le domaine de l’aérospatiale.

« Ces travaux montrent que nous pourrions passer de l’utilisation de matériaux rigides et fragiles à des matériaux à la fois rigides et résistants, qui dissipent l’énergie lorsqu’ils sont soumis à de fortes contraintes », conclut Pablo Zavattieri, auteur principal de l’étude. « C’est précisément la capacité dont la nature a doté le diabolique scarabée à tête de fer. »

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