Почему крылья насекомых не ломаются?

Исследователи из Тринити-колледжа в Дублине показали, что крылья насекомых не так хрупки, как кажутся. Исследование, опубликованное в журнале PLOS ONE, демонстрирует, что характерная сеть жилок в крыльях саранчи помогает останавливать трещины, подобно водонепроницаемым отсекам в корабле.

Пустынная саранча — марафонец мира насекомых. Эти насекомые могут летать днями через пустыни и океаны с крыльями в десять раз тоньше человеческого волоса. За время таких перелётов их крылья выдерживают сотни тысяч взмахов без повреждений.

Как и все части тела насекомых, крылья сделаны из кутикулы — второго по распространённости природного материала в мире. Ранее было показано, что кутикула в ногах саранчи — один из самых прочных природных материалов. Учёные решили проверить, верно ли это для крыльев.

Чтобы измерить прочность крыльев, команда делала небольшие надрезы в мембране крыла и измеряла усилие, необходимое для распространения трещины. Оказалось, что сама мембрана крыла не очень прочна. Однако видеозаписи экспериментов показали, что большинство трещин эффективно останавливались, как только достигали поперечной жилки. Эти микроскопические барьеры увеличивали общую прочность крыла на 50%.

Почему же жилок не больше? По сравнению с тонкой мембраной, жилки относительно тяжелы. Поэтому для снижения веса крыла их должно быть как можно меньше. Но с меньшим количеством жилок снижается и защита от трещин. Это компромисс, аналогичный водонепроницаемым отсекам в корабле: слишком много — корабль слишком тяжёлый, слишком мало — одно отверстие может потопить всё судно.

Чтобы найти оптимальное соотношение мембраны и жилок, исследователи детально изучили характерный рисунок крыльев, измерив размер и форму почти 1000 ячеек из жилок в каждом крыле. Используя механику разрушения, они показали, что расстояние между большинством жилок соответствует так называемой «критической длине трещины» мембраны. При заданном напряжении трещины короче этой константы материала не растут.

Благодаря точному расстоянию между поперечными жилками, трещины всегда останавливаются до того, как достигают критической длины и начинают самостоятельно расти. Природа нашла механически оптимальное решение для крыльев саранчи, сочетающее высокую прочность и низкий вес.

Учёные полагают, что рисунок жилок в крыльях насекомых может вдохновить на создание более долговечных и лёгких искусственных «жилистых» крыльев для микро-летательных аппаратов. Кроме того, «обратный» анализ расстояния между жилками у ископаемых насекомых потенциально позволит изучать свойства крыльев вымерших видов.