研究伪装的飞蛾翅膀中的杂音性特性

某些飞蛾具有特殊的缩放翅膀,表现出声学性能的特性,使它们避免了蝙蝠的回声定位。布里斯托尔大学的研究人员试图对这种效果进行建模,以更好地了解在其他领域的宽带声学伪装的潜力。


布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
2020年12月

您是否曾经看过地面,树枝或灌木丛上的叶子 - 突然之间,它在移动?大量的昆虫和蛛网动物通过与周围环境融合来掩盖捕食者。例如,兰花的兰迪斯的翅膀看起来像兰花花的精致芽。这phasmatodea也称为“棍子虫”,胳膊和腿与小棕色的树枝有着不可思议的相似之处。Luna飞蛾的荧光绿翅膀与树上的明亮叶子完美匹配。

但是,这种视觉伪装在试图避免昆虫的主要捕食者之一时是一个毫无意义的:蝙蝠看不到眼睛看到,而是使用回声定位来导航和寻找食物。那么要做什么?事实证明,某些类型的飞蛾,例如Bunaea Alcinoe,或卷心菜皇帝飞蛾的缩放翅膀可提供声学伪装,保护它们免受蝙蝠的高级声纳检测。

布里斯托大学的研究人员使用数值建模来研究这种机翼量表现象,并了解我们如何将这些声学伪装能力应用于其他领域。

回声定位符合其比赛

在超过6500万年的时间里,蝙蝠一直在寻找飞蛾作为食物的来源。有些飞蛾可以检测到接近蝙蝠的信号,而另一些飞蛾则用毒药捍卫自己,或者点击声音,可以使蝙蝠大吃一惊。卷心菜皇帝飞蛾既聋和无毒,但并不是无助的。它只是依靠一种更具被动的防御策略:声学伪装(也称为声学披肩)。

从上方看到的白色,黑色,黑色和橙色细节,翅膀散开。
图1. Bunaea Alcinoe或卷心菜皇帝飞蛾。LSADONKEY的图像 - 自己的作品。通过Wikimedia Commons获得CC BY-SA 4.0的许可。

飞蛾如何使用声学伪装来抵御蝙蝠的攻击?为了找出答案,我们可以仔细研究他们的翅膀。飞蛾的翅膀是固体薄膜,由几丁质组成,甲壳质是一种源自葡萄糖的长链聚合物。僵硬的机翼静脉将这些膜固定在适当的位置。看起来更近,飞蛾翼的上部和下表面被重叠的鳞片覆盖,例如屋顶上的瓷砖。每个量表都是多孔的,具有复杂的结构。布里斯托尔大学研究员Zhiyuan Shen说:“高度雕塑的尺度结构意味着复杂的进化适应性,类似于高度有组织的纳米级光子光子结构,用于视觉信号传导。”

这些机翼尺度小于0.25毫米,使其小于1/10Th使用从11 kHz到212 kHz的频率的信号(参考文献1),蝙蝠用于回声定位的波长。布里斯托尔大学的研究人员假设,可以将蛾的翅膀归类为具有亚波长度厚度的超薄吸收器,在其论文“以超声频率下的蛾量表的生物力学”中的作用。为了研究其假设,该小组试图捕获机翼尺度的治理物理现象,并表明飞蛾尺度可以在共振时达到高吸收系数。为此,他们转向数值建模...

高级成像技术符合数值模拟

该项目始于一些飞蛾p,在实验室中耕种,直到成熟为止。研究人员收集了飞蛾翅膀的样品,然后接受了两种类型的高级成像技术:扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦显微镜。SEM技术涉及将飞蛾机翼的截面安装到粘合剂碳片上,然后将其涂有薄的5 nm金层。将量表在高空和可变压力模式下成像,并放大以获得较大,清晰的图像。对于共聚焦显微镜过程,团队将单个飞蛾尺度浸入甘油中,并将其密封在两个显微镜载玻片之间。然后,他们使用自动荧光来获取超清除图像。

六个真实图像的抄本和两个模型。
图2.飞蛾尺度结构的不同视图。

一旦产生了蛾机翼的清晰,高质量的图像,该团队就能将图像中的3D数据从MATLAB中保存在STL格式中的3D isosurface模型中®软件并导入comsol多物理学®使用Livelink™的仿真软件为了MATLAB®。使用comsol多物理学®模型,团队确定了蛾翼量表的理想单元,并将其进行参数化以研究有效的材料特性。

在九个模型中反复显示的蛾量表的单位细胞,其中三个是灰色几何模型和六个模型,在彩虹中可视化。
图3.飞蛾尺度的单个单位单元的参数化模型。

接下来,该团队准备对量表进行敏捷声分析。他们使用了周期性comsol多物理学中的边界条件®为单位单元格建模,而不是整个比例阵列,从而保存了计算工作和内存。“我们可以将模型简化为几个秤,并使用周期性边界条件将结构扩展到阵列中。如果我们制作了一个实际的数组模型,那么计算机将无法处理。”沉说。然后,该团队使用comsol Multiphysics中的宏观fem模型在超声波频率下建模了比例振动®,允许他们计算刻度的振动。“ comsol®真的很擅长耦合问题。我们需要声学和固体力学来了解超声波如何与尺度结构结合在一起。”

在彩虹中可视化的带有共振的飞蛾翼秤的六个模型视图。
图4.飞蛾量表的共鸣。

该团队还建立了两种模型,以分析蛾量表的阻尼效果和由这种尺度组成的整个飞蛾翼的超声特性。前者由单端完全夹紧的单个尺度组成,而后者则在材料中添加了瑞利阻尼,并用于计算缩放阵列的吸收系数。

比较计算与测量

为了查看计算出的蛾量表的振动与蛾量表的现实世界行为相比,团队随后将注意力转向激光多普勒振动仪(LDV),他们用来表征单一尺度的振动行为。LDV的结果与第一和第三模式的计算共振相吻合,分别仅为2.9%和1.0%。计算出的共振为28.4、65.2和153.1 kHz,而LDV结果为27.6、90.8和152.3 kHz。第二种模式的28%偏差可以通过飞蛾尺度的简化曲率来解释,这一事实是,该量表的穿孔速率在实际变化时将其建模为常数,并且在LDV测量过程中的入射声波不一致。

两个1D图,将测量结果和仿真结果相互比较;左侧图显示了频率上的位移,右侧图显示了频率上的系数值。
图5.模型的蛾量表模型与LDV的测量模式之间的比较。

有趣的是,计算出的蛾量表的模式重叠并跨越了蝙蝠用于回声定位(通常为20-180 kHz)的生物量范围。为了看看这是否只是一个巧合,研究人员重复了模仿蝴蝶翼尺度结构的类似单位单元的分析。这次,模式落在了蝙蝠的生物纳尔范围88.4、150.9和406.0 kHz之外。这是有道理的,从进化开始:飞蛾是夜间的,通常在蝙蝠的十字准线中,而蝴蝶在白天活跃,不需要保护自己免受危险生物的侵害。这种比较支持这样的理论,即飞蛾可能已经演变为从蝙蝠中伪装自己。

鼓舞人气伪装的新用途

该研究项目标志着在数值和实验上表征蛾量表的生物力学和振动行为的首次努力。结果表明,多物理建模软件可用于准确捕获蛾量表行为,为在该领域进行进一步模拟驱动的分析铺平了道路。将来,布里斯托尔大学团队旨在将当前的定期模型扩展到整个蛾鳞片的完整3D模型中。

该研究本身在动物界之外也具有深远的影响。通过能够理解蛾量表的振动声行为,研究人员可以开始开发具有相同声学伪装能力的宏观结构。“如果我们可以制作模仿飞蛾尺度的材料,则应用可以包括高效的超声波吸收器。如果我们能找到只有1/100的材料Th在与之合作的波长中,这将是声学设计的重大改进。”

将来,我们可以期望看到具有声音伪装功能的建筑设计和防御技术中使用的增强的降噪材料 - 证明,当您从自然中汲取灵感时,您将对您所能实现的目标感到惊喜。

参考

  1. G. Jones和M. Holderied,“ BAT回声定位电话:适应和收敛演化”,Proc Biol Sci。,卷。274(1612),第905–912页,2007年。

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