研究用于声伪装的飞蛾翅膀的振动声学特性

某些飞蛾有特殊的鳞片状翅膀,展现出声学伪装的特性,使它们不被蝙蝠的回声定位所发现。布里斯托尔大学的研究人员试图对这种效应进行模拟,以更好地理解振动声现象——在其他领域看到宽带声波伪装的潜力。


Brianne克里斯托弗
2020年12月

你有没有试过看一眼地面、树枝或灌木上的叶子——突然间,它就动了?许多昆虫和蛛形纲动物通过融入周围环境来伪装自己以躲避捕食者。例如,兰花螳螂的翅膀看起来就像兰花花的娇嫩蓓蕾;的Phasmatodea这种昆虫也被称为“竹节虫”,它的胳膊和腿与棕色的小树枝惊人地相似;月蛾有荧光绿色的翅膀,与树上明亮的叶子非常相配。

然而,当试图避开昆虫的主要捕食者之一时,这种视觉伪装是一个有争议的问题:蝙蝠不是用眼睛看,而是用回声定位来导航和寻找食物。那么一个bug会做什么呢?事实证明,某些类型的飞蛾,比如Bunaea alcinoe它们的翅膀能提供声音伪装,保护它们不被蝙蝠先进的声纳探测到。

来自布里斯托尔大学的研究人员使用数值模型来研究这种翼鳞现象,看看我们如何将这些声学伪装能力应用到其他领域。

回声定位遇到了对手

在超过6500万年的时间里,蝙蝠寻找飞蛾作为食物来源。一些飞蛾能察觉到接近蝙蝠的信号,而另一些飞蛾则用毒液自卫,或者发出可以吓到蝙蝠飞走的咔哒声。白菜树帝蛾既聋又无毒,但它并不是无助的。它只是依靠一种更被动的防御策略:声伪装(也称为声隐身)。

一个棕色的蛾子,有白色,黑色和橙色的细节,从上面看,翅膀展开。 白菜树蛾
图1所示。白菜树帝蛾。图像由Lsadonkey -自己的作品。授权CC BY-SA 4.0,通过Wikimedia Commons。

飞蛾如何使用声波伪装来抵御蝙蝠的攻击?为了找到答案,我们可以近距离观察它们的翅膀。蛾子的翅膀是由几丁质(一种从葡萄糖中提取的长链聚合物)组成的固体薄膜。僵硬的翼静脉固定住这些膜。再仔细观察,飞蛾翅膀的上下表面覆盖着一排排重叠的鳞片,就像屋顶上的瓦片。每个尺度都是多孔的,具有复杂的结构。布里斯托尔大学的研究员沈志远说:“高度雕刻尺度的结构意味着复杂的进化适应,类似于视觉信号的高度组织化的纳米尺度光子结构。”

这些翅鳞的长度小于0.25毫米,使它们小于1/10th蝙蝠回声定位,使用的波长信号的频率从11千赫至212千赫(Ref。1)。布里斯托尔大学的研究人员推测,蛾翅膀可分为与亚波长厚度超薄吸收器,作为共振吸收,在他们的论文中“蛾的生物力学在超声频率”。为了研究他们的假设,研究小组试图捕捉翅膀鳞片的控制物理现象,并证明飞蛾鳞片在共振时可以达到高吸收系数。为此,他们求助于数值模拟。

先进的成像技术满足了数值模拟的要求

该项目从一些蛾子蛹开始,在实验室培养,直到它们成熟。研究人员收集了蛾子翅膀的样本,然后采用了两种先进的成像技术:扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦显微镜。扫描电子显微镜技术包括将飞蛾翅膀的部分安装在粘着的碳片上,然后在碳片上涂上一层5纳米的薄金层。在高真空和变压模式下对刻度进行成像,并放大以获得大而清晰的图像。在共聚焦显微镜的过程中,研究小组将一只蛾子鳞片浸入甘油中,并将其密封在两张显微镜载玻片之间。然后他们使用自体荧光技术获得超透明图像。

这是一个由六个真实的蛾子大小的图像和两个模型组成的拼贴画。 蛾规模结构
图2。对蛾的鳞片结构有不同看法。

一旦制作出了清晰、高质量的蛾子翅膀图像,研究小组就能够从图像中提取3D数据,并将其以STL格式保存在MATLAB中®软件并导入到COMSOL Multiphysics中®使用LiveLink™的仿真软件MATLAB®。使用COMSOL Multiphysics®模型中,研究小组确定了蛾翅规模的理想单位细胞,并将其参数化,以研究有效的材料特性。

在9个模型中反复显示的蛾子鳞片的单元细胞,其中3个是灰色几何模型,6个是可视化的彩虹。 参数化模型
图3。蛾类尺度单个单元细胞的参数化模型。

接下来,研究小组准备对这个尺度进行振动声学分析。他们使用了周期COMSOL Multiphysics中的边界条件®对单个单元进行建模,而不是对整个阵列进行建模,节省了计算量和内存。“我们可以将我们的模型简化为几个尺度,并使用周期将结构扩展为数组的边界条件。如果我们做一个实际的阵列模型,它对计算机来说太大了。”随后,该团队在COMSOL Multiphysics中使用宏观尺度有限元模型对超声频率下的尺度振动进行了建模®,使他们能够计算刻度的振动。“COMSOL®非常擅长耦合问题。我们需要声学和固体力学来理解超声波是如何与尺度结构相结合的。”

六个模型视图的蛾子翅膀规模与共振可视化在彩虹。 共振
图4。蛾子音阶的共振。

研究小组还建立了两个模型来分析蛾子鳞片的阻尼效应和由这些鳞片组成的整个蛾子翅膀的超声波特性。前者由一端完全夹紧的单标度组成,后者在材料中加入瑞利阻尼,用于计算标度阵列的吸收系数。

计算与测量的比较

为了观察计算出的飞蛾鳞片的振动如何与真实世界的飞蛾鳞片的行为相比较,研究小组随后将他们的注意力转向了激光多普勒振动仪(LDV),他们用它来表征单鳞片的振动行为。LDV结果与计算的第一模态和第三模态共振值吻合较好,差异仅为2.9%和1.0%。计算得到的共振频率分别为28.4、65.2和153.1 kHz,而LDV的结果分别为27.6、90.8和152.3 kHz。第二模态的28%的偏差可以解释为蛾尺度的简化曲率、尺度的穿孔率在实际变化时为常数以及LDV测量过程中入射声波的不一致性。

测量结果与仿真结果的二维对比图;左边的图显示位移随频率的变化,右边的图显示系数值随频率的变化。 测量结果与模拟结果
图5。模型与LDV实测模态的比较。

有趣的是,蛾级的计算模式重叠和跨越了蝙蝠用于回声定位的生物声纳范围(通常为20-180千赫)。为了看看这是否只是一个巧合,研究人员对一个类似的单位细胞进行了重复分析,这个单位细胞模仿了蝴蝶翅膀鳞片的结构。这一次,这些模式超出了蝙蝠的生物声纳范围,分别为88.4 kHz、150.9 kHz和406.0 kHz。从进化的角度来看,这是有道理的:飞蛾在夜间活动,经常在蝙蝠的瞄准范围内,而蝴蝶在白天活动,不需要保护自己免受这种有尖牙的生物的伤害。这一对比支持了这样一种理论,即飞蛾可能已经进化到从蝙蝠那里用声音伪装自己。

声学伪装的新用途

该研究项目标志着首次尝试以数值和实验的方式来描述飞蛾鳞片的生物力学和振动行为。结果表明,多物理建模软件可以准确地捕捉蛾的尺度行为,为进一步的模拟驱动分析铺平了道路。在未来,布里斯托尔大学的研究小组的目标是将目前的周期性模型扩展成蛾鳞片阵列的完整3D模型。

这项研究本身在动物王国之外也有深远的影响。通过了解飞蛾鳞片的振动声学行为,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。“如果我们能制造出模仿飞蛾鳞片的材料,应用范围可以包括高效超声波吸声器。如果我们能找到厚度只有1/100的材料th这将是声学设计的一大进步。”

在未来,我们可以期待在建筑设计和具有声学伪装能力的防御技术中看到增强型降噪材料——证明当你从大自然中获得灵感时,你会为你所取得的成就感到惊喜。

参考

  1. G. Jones和M. Holderied,《蝙蝠回声定位叫声:适应和趋同进化》,Proc Sci杂志。, vol. 274(1612), pp. 905-912, 2007。

MATLAB是MathWorks公司的注册商标。