蝴蝶翅膀中的纳米结构和活细胞可以激发辐射冷却材料和先进的飞行机器

蝴蝶的红外照片，其中亮度与辐射冷却的能力相关。

研究人员发现蝴蝶具有专门的行为和翼秤，以保护其翅膀的生活部位;在机翼秤中发现的纳米结构可以激发辐射冷却材料的设计，以帮助管理过量的热量条件;翅膀中的感官网络可以激发先进飞行机器的设计。

NewstudyFolmolumbia Engineering和哈佛鉴定了蝶翼翅膀的合适温度的关键生理重要性，并发现昆虫通过结构和行为适应来调节其翼状温度。

与常见的信念相反，蝴蝶翅膀主要由无生命的膜组成，新的研究表明它们含有一种活性细胞网络，其功能需要受限制的温度范围以获得最佳性能。鉴于它们的热容量小，当蝴蝶停止飞行时，翅膀可以在阳光下迅速发热，在冷静环境中，它们可以在飞行中冷却太多。本研究在线（1月28日）在线（1月28日）由自然通信发布，是第一个探讨温度造成塑造机翼结构和蝴蝶行为的影响。

“蝴蝶翅膀基本上是矢量光检测面板，蝴蝶可以准确地确定阳光的强度和方向，并在没有使用他们的眼睛的情况下快速做到这一点，”副教授哥伦比亚工程和研究副教授副教授。

该团队，其联合领导的Bynaomi E. Pierce，Hessel Endologeary生物学系Hessel教授，哈佛大学博物馆的Lepidoptera策梁，用他们在生物学和光学博物馆的专业知识来制作了一个数字重要的发现。通过仔细地移除机翼鳞片以使它们能够进入翅膀内部，并且通过染色机翼内发现的神经元，他们发现蝴蝶翼被机械和温度传感器的网络加载。翅膀的活组织通过整个成人寿命的循环和气管系统主动提供 - 在彩绘女士蝴蝶，超过三周。

他们还发现了一个“翼心”，每分钟击败几十次，以便通过“气味垫”或位于某些物种蝴蝶的翅膀上的“气味垫”或血小板器官的定向流动。“大多数关于蝴蝶翅膀的研究专注于逃生之间的信号传导中使用的颜色，”皮尔斯说，“这项工作表明，我们应该将蝴蝶翼作为动态，生活的结构（而不​​是相对惰性的膜）。在机翼上观察的图案也可以以重要的方式形状，需要调制机翼的活的零件温度。“

温度分布在阳光照射的三种欧盟宜家蝴蝶的前翅上，尽管翅膀宽的可见颜色和图案的宽变化，但含有活细胞的气味斑块，垫和翼脉的温度总是低于此翅膀的剩余“非生物”部分。

YU的实验室设计了一种基于红外高光谱成像的非侵入性技术，每个像素的图像代表一个红外光谱，使它们能够制造 - 用于第一次对蝶翼翅膀的温度分布的准确测量。“这一直很难到现在，”皮尔斯笔记“，因为蝴蝶翅膀的薄弱和美味。”“这种成像技术使我们能够检查与热力学性质从其热力学特性脱钩的物理适应，”Yu增加。“我们发现Perse Scale纳米结构和非均匀角质层厚度通过热辐射产生辐射冷却 - 散热的异质分布 - 选择性地降低翼静脉和气味垫等活性结构的温度。”

这种区域和选择性增强热辐射的效果在团队的蝴蝶翅膀上的热力学实验中得到了充分的展示。模仿蝴蝶的自然环境的实验条件是在YU的实验室中创建的，并允许研究人员量化若干环境因素对机翼温度的相对贡献。这些包括阳光强度，陆地环境的温度和天空的“冷酷”，可以用作来自加热翼的热辐射的有效散热器。该团队发现，在所有模拟的环境条件下，尽管存在佩戴的颜色和图案，但由于增强的辐射冷却，含有活细胞（翼静脉和香味垫）的蝴蝶翼的区域总是比机翼的“生气”区域更冷。“在机翼鳞片中发现的纳米结构可以激发辐射冷却材料的设计，以应对过度的热量条件，”Cheng-Chia Tsai说，Ph.D。俞的学生是研究的主要作者。

研究人员从七个公认的蝴蝶家庭中有六个进行了一系列的活性蝴蝶行为研究，以调查对应用于翅膀的模拟阳光的反应。该团队发现昆虫使用翅膀感知阳光的方向和强度 - 热烈或过热的主要来源 - 并用专业的行为来防止他们的翅膀过热或过冷。例如，所研究的所有物种表现出约40℃（104OF）的相对恒定的“触发”温度，在几秒钟内转动，以避免从闪亮的小光点过度过热。

Yu和Pierce现在正在哈佛大学比较动物学博物馆的Lepidopteran系列进行大规模系统的光学研究。这些包括跨整个系统发育树的数百种蝴蝶物种的数千种含有数千种的辛辛典，每个标本都是从紫外线到中红外线取出的全高光谱成像数据。1863年，英国博士和探险家亨利沃尔特·贝茨写了关于亚马逊河上的自然主义者的蝴蝶翅膀，“在这些扩展的膜上的自然写作，就像平板电脑一样，物种修改的…故事”就像在平板电脑上解密神秘符号，团队希望全面了解翼形和模式，这是许多（经常相互矛盾的）生物和物理因素的结果：性选择，警告着色，模仿，伪装和热调节。

“一只蝴蝶的每个翼都配有几十个机械传感器，提供实时反馈，以实现复杂的飞行模式，”余说。“这是设计飞行机翼设计的灵感：也许翼设计不仅仅是基于飞行动态的考虑，而设计为集成的感官机械系统的翅膀可以使飞行器能够在复杂的空气动力学条件下表现更好。”

参考：“物理和行为适应，以防止蝴蝶的生活翅膀过度过热”由程嘉·蔡，理查德A.童年，诺曼南史，水晶任，Julianne N.Pelaez，Gary D. Bernard，Naomi E. Pierce和Nanfang Yu ，1月28日2020年，自然通信。

该研究得到了国家科学基金会的支持（没有。PHY-1411445授予N. Yu和N. Pierce，No.Deb-0447242授予N.Pierce），以及科学研究空军办公室（没有。FA9550- 14-1-0389通过多学科大学研究倡议计划和NO。FA9550-16-1-0322通过国防大学研究仪表计划授予N. Yu）。R. A.童人得到了国家科学基金会研究生研究所的支持。在Frookhaven国家实验室的功能纳米材料的中心部分进行了测量，这些实验室由美国能源部，基本能源科技厅的合同DE-SC0012704提供支持。

作者宣称没有利益冲突。