具有突出机械性能的天然材料在微/纳米级尺度的常见模式表现出来，这种模式在不同生物物种中普遍存在。长期以来，为了再现大自然已经完善过程的东西，其中最吸引人的模式是螺旋状的图案，因为这种模式提供了增强的断裂韧性和抗损伤性可能性。由规则堆叠的纤维层组成的这类图案的结构（图1a）是其高适应性的起源：纤维之间的螺距旋转角度的变化（γ，图1a）反映了材料的机械响应变化。
在两个不同的发育阶段，即幼虫和成虫阶段，检查了甲虫的外骨胳（或角质层）及其螺旋基序的发育（图1b）。在发育阶段被调节的表皮层结构，具体为外胚层和内胚层中的纤维组织。在幼虫阶段，外胚层和内胚层是具有不同角度的不同螺旋结构（I型，图1c）。在成虫阶段，外胚层具有与幼虫相同的螺旋结构;然而，内胚层结构从螺旋状态转变为伪正交结构，该结构由正交排列的纤维交替层组成，这些纤维由薄的螺旋过渡区分开（II型，图1c）。外骨胳结构中的这些变化是出于对生物学需求的响应而发生的：在幼虫阶段，外胚层可以防止被捕食；在成年甲虫中，混合螺旋基序符合更复杂的功能，可以平衡保护（底层翅膀）与飞行力学（飞行期间产生扑翼力）之间的关系。
图1. a）螺旋结构的示意图。 b）从虫卵到成虫过渡时具有不同动物形态甲虫的典型生命周期示意图。 c）示显示了在幼虫阶段（I型）和成虫阶段（II型）的甲虫中的外胚层和内胚层的螺旋结构示意图。
在单轴拉伸载荷下测试的3D打印合成螺旋结构中再现了相同的图案功能交织。 这些合成的复合材料机械响应表现出弹性/非弹性和失效，它们所表现出来的性能很大程度上取决于层间的螺距角。对应力 - 应变数据的分析表明，通过减小俯仰角，可以增强整体韧性; 此外，较小的俯仰角会导致断裂形态，并具有更清晰的螺旋形图案（图2）。
图2.具有不同螺距角的合成螺旋状复合材料中的断裂表面的示意图：a）γ= 15°，b）γ= 60°，c）γ= 90°。对于每个俯仰角的纤维层（左）和分形图（右）。
