6500万年前的进化军备竞赛：飞蛾的非凡机翼设计

蛾类天蛾鳞茎的0.21 mm x 0.28 mm机翼截面的假彩色3D表示，显示了基本刻度（橙色）和覆盖刻度（蓝色和黄色）的结构，稳定性和排列。

先进的机翼设计，飞蛾在进化军备竞赛中胜出

飞蛾的翅膀超薄，超强吸收力且经过特别设计，可降低人们的注意力，它可以成为开发技术解决方案以在嘈杂的世界中生存的关键。

正如今天在PNAS上发表的一项新研究中所揭示的那样，布里斯托大学的研究人员发现了飞蛾翅膀的精确构造，从而使该物种能够逃避6500万年前的进化军备竞赛中最麻烦的捕食者。

布里斯托尔生物科学学院的研究小组使用一系列分析技术，包括机载横截面成像，声学力学和折光仪，发现蛾翼上的非常薄的鳞片层已经演化出非凡的超声吸收特性，从而提供了隐形的声学伪装。反对蝙蝠回声定位。

飞蛾An蝶（上部）和蝴蝶Graphium agamemnon（下部）的合成图像，左侧显示照片，右侧显示超声回波图像（断层扫描）。请注意，飞蛾的翅膀回声（声像）比蝴蝶的翅膀弱。

使该团队的发现更加引人注目的是，他们确定了第一个已知的自然发生的声音超材料。传统上，超材料描述了一种人造复合材料，该材料经过工程设计以表现出超过自然界中可用的物理性能。天然存在的超材料非常稀少，并且在声学世界中从来没有被描述过。

今年早些时候，行为声学和感官生态学专家马克·霍尔德里德（Marc Holderied）博士及其合作研究人员报告说，聋蛾在身体上如何产生超声波吸收鳞片，从而使它们能够吸收蝙蝠用来检测它们的传入声能的85％。

生存的需要意味着飞蛾进化出了1.5毫米深的防护屏障，可作为多孔吸声材料。但是，这种保护性屏障无法在机翼上起作用，因为机翼的厚度增加会阻碍飞蛾的飞行能力。声学超材料的一个关键特征是，它们比作用在其上的声音的波长小得多，从而使其比传统构造的吸声器薄得多。

蛾类天蛾鳞茎的0.21 mm x 0.28 mm机翼截面的假彩色3D表示，显示了基本刻度（橙色）和覆盖刻度（蓝色和黄色）的结构，稳定性和排列。

在这项最新研究中，由共同第一作者Thomas Neil博士和Shenzhiyuan Shen博士领导的Bristol小组发现，飞蛾进一步迈出了挽救生命的一步，创造了一种共振吸收器，其厚度比吸尘器的波长薄100倍。它吸收声音，从而使昆虫保持轻盈，同时减少蝙蝠检测飞行中翅膀回声的可能性。

通过检查使用超声波断层扫描捕获的声音的复杂横截面图像，研究小组发现，飞蛾的翅膀已经进化为制造共振吸收器，可以有效地防止蝙蝠回声定位。这些发现可能会大大促进材料科学家，声学家和声纳工程师的努力，以设计具有出色的深亚波长性能的生物启发吸声器。

“最令人惊讶的是，蛾翼还通过增加另一个惊人的功能，发展了一种使共振吸收器吸收所有蝙蝠频率的方法—它们将许多不定期调谐到不同频率的共振器组装成一系列吸收器，这些吸收器通过作用共同产生宽带吸收首席研究员Holderied博士说：“这是自然界中第一种已知的声音超材料。”“这种飞蛾翅膀的超薄结构很难实现宽带吸收，这就是它如此出色的原因。”

这远远超出了目前用于在使用大而厚的材料的办公室环境中吸收声音的传统多孔吸收器所能达到的极限。

Holderied博士补充说：“诺言是用于我们的家庭和办公室的更薄的吸声器之一，我们将接近更加通用和可接受的吸声器“墙纸”，而不是笨重的吸声板。

这项最新研究建立在该团队较早的关于单音阶声力学的研究基础上，并显示了如何通过更薄的机翼结构来实现飞蛾身上的音阶更传统的吸声，从而为整个机体提供声学保护。

参考：Thomas R. Neil，沉志远，Daniel Robert，Bruce W. Drinkwater和Marc W. Holderied撰写的“全部机翼是声学超材料”，2020年11月23日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2014531117

这项研究得到了生物技术和生物科学研究委员会（BBSRC，BB / N009991 / 1），工程和物理科学研究委员会（EPSRC，EP / T002654 / 1）和钻石光源（MT17616）的支持。

这些最新发现是基于布里斯托尔团队在2020年2月发表在《皇家学会杂志》上的先前研究得出的。该论文有超过68,000的浏览量，它是作为蝙蝠生物声纳的隐形涂层的飞蛾鳞片，是皇家学会接口杂志上下载次数最多的论文。