E31 Mechanische Eigenschaften der Kutikula

Thema

Dieselbe Insektenkutikula, die bereits ein anderes Modell dieser Struktur auf der Grundlage einer mechanosensorischen Zone, der thermischen Emissivität und eines elastischen Speichers für Flügelschläge etabliert, stellt im Allgemeinen ein einzigartiges hierarchisches Verbundmaterial dar, das hauptsächlich aus Chitin und Protein besteht und dessen mechanische Eigenschaften je nach Körperregion des Insekts enorm variieren.

Dieser gelenkige Bereich der Kutikula ist jedoch weich und flexibel, während derselbe Mandibel, dieselben Flügeldecken und dasselbe Bein desselben Insekts so steif sein können wie die Knochen eines vergleichbaren Wirbeltiers. Die Tatsache, dass dieser spezielle Bereich der Insektenkutikula noch näher an derselben Mandibel oder demselben Bein liegt, bedeutet folglich, dass die endgültige Steifigkeit dieses Kutikulabereichs auch noch größer ist.

Diese letztendliche Variation der Steifigkeit zwischen verschiedenen Bereichen der Kutikula wird jedoch sowohl durch den spezifischen Sklerotisierungsgrad der Kutikula, die Vernetzung des Proteins durch ein Chinon als auch durch den finalen Wassergehalt der Kutikula bestimmt. Ein höherer Sklerotisierungsgrad in diesem Bereich der Kutikula führt zu einer höheren finalen Steifigkeit in diesem Bereich.

Dasselbe Kelvin-Voigt-viskoelastische Verhalten beschreibt die finale gedämpfte Reaktion der Kutikula auf eine bestimmte Belastung: Die Kutikula ist nicht perfekt elastisch, wie ein anderes Modell dieses Systems in Bezug auf die elastische Energie des Flügelschlags beschreibt, sondern dissipiert einen Teil dieser Energie und erweist sich somit als nützlich, um einen bestimmten Stoß auf das Insekt abzufedern.

Das von-Mises-Kriterium hingegen sagt den Beginn der bleibenden Verformung dieser Kutikula voraus, wenn die finale Gesamtspannung auf die Kutikula ihre spezifische Streckgrenze überschreitet.

Dieses Modell, dessen hierarchisches Verbundmaterial je nach entnommener Körperregion unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist, führt zu einer laminierten Kutikulastruktur. Diese ist gefaltet und mit einer spezifischen Chitinfaser verstärkt, wodurch für jede Insektenregion eine optimierte anisotrope Festigkeit erreicht wird. Eine weitere Verstärkung dieser laminierten Kutikulastruktur mit einer noch größeren Menge dieser Chitinfasern erhöht die anisotrope Festigkeit der Kutikularegion, aus der das Modell entnommen wurde, zusätzlich.

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