親近自然!用科學(xué)方法揭開(kāi)蝴蝶“乘涼”的秘密~

科研人員利用熱成像技術(shù)揭示了蝴蝶翅膀在紅外世界中的獨(dú)特?zé)崃W(xué)特性，包括其精細(xì)結(jié)構(gòu)的散熱機(jī)制及對(duì)陽(yáng)光方向和強(qiáng)度的感知能力，為理解小昆蟲(chóng)如何保持涼爽提供了新視角，并啟發(fā)耐熱納米結(jié)構(gòu)和熱感飛機(jī)設(shè)計(jì)。

事實(shí)證明，蝴蝶在紅外世界和在可見(jiàn)光光譜中一樣引人注目。最近，哥倫比亞工程大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，研究了蝴蝶翅膀的熱力學(xué)特性，以及輻射冷卻在保持這些精細(xì)結(jié)構(gòu)顫振中的重要性。哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)副教授Nanfang Yu特別說(shuō)明了熱成像儀在這項(xiàng)研究中扮演了重要角色。

傳統(tǒng)測(cè)量偏差大

過(guò)去對(duì)蝴蝶翅膀的研究由于使用熱電偶等設(shè)備來(lái)測(cè)量溫度而受到限制。即使是最小的探針也比蝴蝶翅膀的厚度大，而且測(cè)量的行為會(huì)影響局部溫度。由于測(cè)量是逐點(diǎn)進(jìn)行的，因此可能會(huì)出現(xiàn)額外的偏差?，F(xiàn)在有了熱成像儀，“你可以測(cè)量和繪制整個(gè)溫度分布圖，”Yu說(shuō)。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以觀察和測(cè)量翅膀靜脈、膜和其他結(jié)構(gòu)(如氣味墊)之間的溫度差異。他們發(fā)現(xiàn)，含有活細(xì)胞(翅脈)的蝴蝶翅膀區(qū)域比沒(méi)有生命的翅膀區(qū)域(薄膜)有更高的熱發(fā)射率。

活體翅膀結(jié)構(gòu)(翅膀靜脈、氣味墊/補(bǔ)丁)具有較高的發(fā)射率，以便于通過(guò)熱輻射散熱

無(wú)創(chuàng)紅外測(cè)量也有挑戰(zhàn)

“這是最無(wú)創(chuàng)的溫度測(cè)量方法” Yu解釋說(shuō)。在這項(xiàng)研究中，研究小組鑒定了蝴蝶翅膀中復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以熟練地幫助調(diào)節(jié)溫度。Yu說(shuō)，通過(guò)FLIR SC660，幾乎就像x光一樣，你可以看到——蝴蝶的骨架，翅膀紋理、薄膜…...在熱環(huán)境下，蝴蝶翅膀的明亮顏色和圖案都消失了，取而代之的是你看到的是翅膀本身的底層結(jié)構(gòu)。

紅外世界中的蝴蝶

“這種熱成像技術(shù)使我們可以檢測(cè)物理適應(yīng)，從而將翅膀的可見(jiàn)外觀與其熱力學(xué)特性分離開(kāi)來(lái)。”Yu在《哥倫比亞工程》雜志上的一篇文章中說(shuō)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，不同尺度的納米結(jié)構(gòu)和不均勻的角質(zhì)層厚度會(huì)通過(guò)熱輻射產(chǎn)生不均勻的散熱分布，從而有挑選地下降活體結(jié)構(gòu)的溫度，如翅膀靜脈和氣味墊。

利用熱成像技術(shù)測(cè)量蝴蝶翅膀的溫度并非沒(méi)有障礙?！斑@里的挑戰(zhàn)是，在測(cè)量蝴蝶翅膀時(shí)，熱成像儀給你一個(gè)溫度讀數(shù)，但你卻不可完全相信這個(gè)溫度讀數(shù)，”Yu說(shuō)?！昂岚蛟诩t外世界中是半透明的，所以當(dāng)你用熱成像儀觀察蝴蝶翅膀時(shí)，你不僅僅是在接收翅膀本身的熱輻射，你還接收到了翅膀后面背景產(chǎn)生的熱輻射?！鳖?lèi)似的現(xiàn)象也可以用一層薄薄的塑料薄膜觀察到，比如塑料購(gòu)物袋，它就像蝴蝶翅膀一樣，在可見(jiàn)光光譜中是不透明的，但在紅外光譜中是透明的。

很薄的材料，如塑料袋或蝴蝶翅膀，在紅外光譜中可能是透明的。為了得到蝴蝶翅膀的真實(shí)溫度讀數(shù)，Yu的團(tuán)隊(duì)必須量化翅膀的發(fā)射率和反射率，并從測(cè)量中去除這些背景溫度源。

FLIR紅外熱成像儀的應(yīng)用

除了繪制蝴蝶翅膀的熱分布圖之外，研究人員還在熱狀態(tài)下進(jìn)行了行為學(xué)研究。他們使用一束微弱的光作為熱源，證明了蝴蝶利用翅膀來(lái)感知陽(yáng)光的方向和強(qiáng)度。在大約40°C的“觸發(fā)”溫度下，他們研究的所有物種都在幾秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)身，以避開(kāi)光線并避免翅膀過(guò)熱。

蝴蝶翅膀具有機(jī)械傳感器，可檢測(cè)光的方向和強(qiáng)度。在這里，蝴蝶迅速移動(dòng)以避免其翅膀過(guò)熱

這不是Yu第一次使用熱像儀研究昆蟲(chóng)?！?013年我加入哥倫比亞大學(xué)時(shí)，F(xiàn)LIR熱像儀是我在建立實(shí)驗(yàn)室時(shí)購(gòu)買(mǎi)的第一批設(shè)備之一，” Yu說(shuō)。在與納米生物學(xué)同事的早期合作中，Yu研究了撒哈拉銀蟻，它們生活在地球上最熱的陸地環(huán)境中，在白天的高溫下覓食。 這項(xiàng)研究在2015年發(fā)表在《科學(xué)》中，報(bào)道中說(shuō)研究人員還使用了FLIR熱成像儀監(jiān)控螞蟻的體溫。

蝴蝶翅膀研究的延伸

他的最新研究繼續(xù)探索小昆蟲(chóng)如何保持涼爽的問(wèn)題。蝴蝶翅膀上覆蓋著探測(cè)過(guò)熱的機(jī)械傳感器，它們的翅膀鱗片含有納米結(jié)構(gòu)，有助于輻射冷卻。除了這些發(fā)現(xiàn)的生物學(xué)意義外，Yu認(rèn)為這些發(fā)現(xiàn)還可以為耐熱納米結(jié)構(gòu)和熱感飛機(jī)的設(shè)計(jì)提供靈感。

熱成像有助于揭示這種山核桃色的蝴蝶是如何避免過(guò)熱的。翅膀紋理之間的薄膜實(shí)際上比翅膀的其他部分更熱，但看起來(lái)更冷，因?yàn)樗前胪该鞯?，背景比較冷

Yu和他的同事Naomi E. Pierce(生物學(xué)教授)計(jì)劃繼續(xù)他們對(duì)蝴蝶翅膀的研究。Pierce是哈佛比較動(dòng)物學(xué)博物館鱗翅目動(dòng)物的館長(zhǎng)，可以接觸到大量蝴蝶和飛蛾。他們目前正在使用FLIR熱成像儀對(duì)館藏進(jìn)行廣泛的掃描，以希望了解有助于蝴蝶翅膀設(shè)計(jì)的因素。