用于声学伪装的蛾翅振动声学特性研究

某些蛾子有特殊的鳞片翅膀,具有声学伪装特性,可以躲避蝙蝠的回声定位。布里斯托尔大学的研究人员试图建立这种效应的模型,以更好地理解起作用的振动声学现象——在其他领域看到宽带声学伪装的潜力。


布里安·克里斯托弗
2020年12月

你有没有看过地面,树枝,灌木丛上的叶子——突然,它动了?许多昆虫和蛛形纲动物通过与周围环境融合来伪装自己,躲避捕食者。例如,兰花螳螂的翅膀看起来就像兰花的嫩芽;这个Phasmatodea,也被称为“木棒虫”,它的胳膊和腿与棕色小树枝惊人地相似;月亮蛾有荧光绿色的翅膀,与树上明亮的叶子完美匹配。

然而,当试图躲避一种主要的昆虫捕食者时,这种视觉伪装是一个没有实际意义的问题:蝙蝠不是用眼睛看东西,而是用回声定位来导航和寻找食物。那么,昆虫该怎么办呢?事实证明,某些种类的蛾子,比如阿西诺布奈它有鳞片状的翅膀,可以提供声音伪装,保护它们免受蝙蝠先进的声纳探测。

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,并看看我们如何将这些声学伪装能力应用到其他领域。

回声定位与之匹配

6500多万年来,蝙蝠一直在寻找蛾子作为食物来源。有些蛾子能探测到蝙蝠靠近的信号,而另一些蛾子则用毒药或能惊吓蝙蝠飞离的咔哒声来保护自己。卷心菜树帝王蛾既聋又无毒,但它并非无助。它只是依靠一种更强大的力量被动防御策略:声学伪装(也称为声学隐身)。

一只棕色的蛾子,翅膀展开,从上面可以看到白色、黑色和橙色的细节。
图1所示。这是一种叫Bunaea alcinoe或卷心菜树帝王蛾的昆虫。图片由Lsadonkey -自己的工作。在CC BY-SA 4.0下许可,通过维基共享。

飞蛾如何利用声波伪装来抵御蝙蝠的攻击?为了找到答案,我们可以仔细观察它们的翅膀。飞蛾的翅膀是由几丁质构成的固体薄膜,几丁质是一种从葡萄糖中提取的长链聚合物。坚硬的翼静脉将这些膜固定在适当的位置。再仔细看,蛾子翅膀的上下表面覆盖着鳞片,鳞片层层叠叠,就像屋顶上的瓦片。每个鳞片都是多孔的,结构复杂。布里斯托尔大学的研究人员Zhiyuan Shen说:“高度雕刻的尺度结构意味着复杂的进化适应,类似于视觉信号的高度组织的纳米级光子结构。”

这些翼鳞不到0.25毫米长,使它们小于1/10th布里斯托尔大学的研究人员假设,蛾子的翅膀可以被归类为亚波长厚度的超薄吸收器,作为共振吸收器,在他们的论文《超声频率下飞蛾鳞片的生物力学》中。为了调查他们的假设,该小组试图捕捉翼鳞的支配物理现象,并表明蛾鳞在共振时可以获得高吸收系数。为了做到这一点,他们转向了数值模拟……

先进的成像技术满足数值模拟

该项目从一些蛾蛹开始,在实验室中培育直到它们成熟。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。扫描电镜技术包括将飞蛾翅膀的部分安装到粘合的碳片上,然后在碳片上涂上一层薄的5纳米金层。天平在高真空和变压模式下成像,并放大得到一个大的,清晰的图像。在共聚焦显微镜技术中,研究小组将单个蛾子鳞片浸入甘油中,并将其密封在两个显微镜载玻片之间。然后他们使用自体荧光获得超清晰图像。

一幅由六幅真实的蛾类图片和两个模型组成的拼贴画。
图2。不同视角的蛾鳞结构。

一旦制作出清晰、高质量的飞蛾翅膀图像,研究小组就能够将图像中的3D数据提取到3D等值面模型中,并将其以STL格式保存在MATLAB中®软件并导入COMSOL Multiphysics®仿真软件使用LiveLink™对于MATLAB®.使用COMSOL Multiphysics®模型中,研究小组确定了蛾翼鳞片的理想单元细胞,并将其参数化,以研究有效的材料特性。

蛾子大小的单位细胞,在九个模型中反复显示,其中三个是灰色几何模型,六个在彩虹中可视化。
图3。蛾尺度单个单元细胞的参数化模型。

接下来,研究小组准备对音阶进行振动声学分析。他们使用了周期COMSOL多重物理中的边界条件®用单个单元单元代替整个比例阵列进行建模,节省了计算时间和内存。“我们可以将模型简化成几个比例,并使用周期将结构展开为数组的边界条件。如果我们做一个实际的阵列模型,它就太大了,计算机无法处理。”然后,该团队使用COMSOL Multiphysics中的宏观尺度FEM模型对超声频率下的尺度振动进行了建模®这样他们就可以计算出天平的振动。“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鳞片结构耦合的,”沈说。

六模型视图的蛾子翅膀规模与共振可视化的彩虹。
图4.蛾类鳞片的共振。

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鳞片构成的整个蛾子翅膀的超声波特性。前者由一个一端完全箝位的单一刻度组成,而后者则在材料上加入瑞利阻尼,用于计算标度阵列的吸收系数。

计算与测量的比较

为了了解计算出的蛾子鳞片的振动与真实世界的蛾子鳞片的振动相比如何,研究小组将注意力转向了激光多普勒振动计(LDV),他们用它来描述单个鳞片的振动行为。LDV结果与计算的第一模和第三模共振值吻合较好,分别相差2.9%和1.0%。计算出的共振频率分别为28.4、65.2和153.1 kHz,而LDV的结果为27.6、90.8和152.3 kHz。第二模态28%的偏差可以由以下原因解释:蛾尺度的简化曲率,尺度的穿孔率在实际变化时被建模为常数,以及LDV测量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;左边的图形显示频率上的位移,右边的图形显示频率上的系数值。
图5。蛾子尺度模型与LDV实测模式的比较。

有趣的是,蛾鳞片的计算模式重叠并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)。为了验证这是否只是一个巧合,研究人员对一个类似的单元细胞进行了分析,该单元细胞模仿了蝴蝶翅膀鳞片的结构。这一次,模式在88.4、150.9和406.0 kHz的蝙蝠生物声纳范围之外。从进化角度看,这是有道理的:蛾子是夜行性的,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尖牙生物的伤害。这一对比支持了这样一个理论,即飞蛾可能已经进化到从蝙蝠那里通过声音伪装自己。

鼓舞人心的声学伪装新用途

这项研究项目标志着首次尝试用数值和实验来描述蛾类鳞片的生物力学和振动行为。结果表明,多物理建模软件可用于准确捕捉蛾类的尺度行为,为该领域的进一步模拟驱动分析铺平了道路。在未来,布里斯托大学团队的目标是扩大当前周期模型到一个完整的3D模型的阵列蛾量表。

这项研究本身在动物王国之外也有着深远的影响。通过了解蛾子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蛾子鳞片的材料,应用范围就可以包括高效超声波吸声器。如果我们能找到一种厚度只有1/100的材料th对于声学设计来说,这将是一个巨大的改进。”

在未来,我们可以期待在建筑设计和具有声学伪装能力的国防技术中使用增强型降噪材料——证明当你从自然中获得灵感时,你将会为你的成就感到惊喜。

参考

  1. G. Jones和M. holdered,“蝙蝠回声定位的呼唤:适应和趋同进化”,Proc Sci杂志。, vol. 274(1612), pp. 905-912, 2007。

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