具有突出機(jī)械性能的天然材料在微/納米級(jí)尺度的常見模式表現(xiàn)出來，這種模式在不同生物物種中普遍存在。長(zhǎng)期以來，為了再現(xiàn)大自然已經(jīng)完善過程的東西，其中最吸引人的模式是螺旋狀的圖案，因?yàn)檫@種模式提供了增強(qiáng)的斷裂韌性和抗損傷性可能性。由規(guī)則堆疊的纖維層組成的這類圖案的結(jié)構(gòu)（圖1a）是其高適應(yīng)性的起源：纖維之間的螺距旋轉(zhuǎn)角度的變化（γ，圖1a）反映了材料的機(jī)械響應(yīng)變化。

在兩個(gè)不同的發(fā)育階段，即幼蟲和成蟲階段，檢查了甲蟲的外骨胳（或角質(zhì)層）及其螺旋基序的發(fā)育（圖1b）。在發(fā)育階段被調(diào)節(jié)的表皮層結(jié)構(gòu)，具體為外胚層和內(nèi)胚層中的纖維組織。在幼蟲階段，外胚層和內(nèi)胚層是具有不同角度的不同螺旋結(jié)構(gòu)（I型，圖1c）。在成蟲階段，外胚層具有與幼蟲相同的螺旋結(jié)構(gòu);然而，內(nèi)胚層結(jié)構(gòu)從螺旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閭握唤Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由正交排列的纖維交替層組成，這些纖維由薄的螺旋過渡區(qū)分開（II型，圖1c）。外骨胳結(jié)構(gòu)中的這些變化是出于對(duì)生物學(xué)需求的響應(yīng)而發(fā)生的：在幼蟲階段，外胚層可以防止被捕食；在成年甲蟲中，混合螺旋基序符合更復(fù)雜的功能，可以平衡保護(hù)（底層翅膀）與飛行力學(xué)（飛行期間產(chǎn)生撲翼力）之間的關(guān)系。

圖1. a）螺旋結(jié)構(gòu)的示意圖。 b）從蟲卵到成蟲過渡時(shí)具有不同動(dòng)物形態(tài)甲蟲的典型生命周期示意圖。 c）示顯示了在幼蟲階段（I型）和成蟲階段（II型）的甲蟲中的外胚層和內(nèi)胚層的螺旋結(jié)構(gòu)示意圖。

在單軸拉伸載荷下測(cè)試的3D打印合成螺旋結(jié)構(gòu)中再現(xiàn)了相同的圖案功能交織。 這些合成的復(fù)合材料機(jī)械響應(yīng)表現(xiàn)出彈性/非彈性和失效，它們所表現(xiàn)出來的性能很大程度上取決于層間的螺距角。對(duì)應(yīng)力 - 應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析表明，通過減小俯仰角，可以增強(qiáng)整體韌性; 此外，較小的俯仰角會(huì)導(dǎo)致斷裂形態(tài)，并具有更清晰的螺旋形圖案（圖2）。

圖2.具有不同螺距角的合成螺旋狀復(fù)合材料中的斷裂表面的示意圖：a）γ= 15°，b）γ= 60°，c）γ= 90°。對(duì)于每個(gè)俯仰角的纖維層（左）和分形圖（右）。