具有突出機械性能的天然材料在微/納米級尺度的常見模式表現出來，這種模式在不同生物物種中普遍存在。長期以來，為了再現大自然已經完善過程的東西，其中最吸引人的模式是螺旋狀的圖案，因為這種模式提供了增強的斷裂韌性和抗損傷性可能性。由規則堆疊的纖維層組成的這類圖案的結構（圖1a）是其高適應性的起源：纖維之間的螺距旋轉角度的變化（γ，圖1a）反映了材料的機械響應變化。
在兩個不同的發育階段，即幼蟲和成蟲階段，檢查了甲蟲的外骨胳（或角質層）及其螺旋基序的發育（圖1b）。在發育階段被調節的表皮層結構，具體為外胚層和內胚層中的纖維組織。在幼蟲階段，外胚層和內胚層是具有不同角度的不同螺旋結構（I型，圖1c）。在成蟲階段，外胚層具有與幼蟲相同的螺旋結構;然而，內胚層結構從螺旋狀態轉變為偽正交結構，該結構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分開（II型，圖1c）。外骨胳結構中的這些變化是出于對生物學需求的響應而發生的：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雜的功能，可以平衡保護（底層翅膀）與飛行力學（飛行期間產生撲翼力）之間的關系。
圖1. a）螺旋結構的示意圖。 b）從蟲卵到成蟲過渡時具有不同動物形態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胚層的螺旋結構示意圖。
在單軸拉伸載荷下測試的3D打印合成螺旋結構中再現了相同的圖案功能交織。 這些合成的復合材料機械響應表現出彈性/非彈性和失效，它們所表現出來的性能很大程度上取決于層間的螺距角。對應力 - 應變數據的分析表明，通過減小俯仰角，可以增強整體韌性; 此外，較小的俯仰角會導致斷裂形態，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合材料中的斷裂表面的示意圖：a）γ= 15°，b）γ= 60°，c）γ= 90°。對于每個俯仰角的纖維層（左）和分形圖（右）。
