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親近自然!用科學方法揭開蝴蝶“乘涼”的秘密~

  2020年04月08日  

  事實證明,蝴蝶在紅外世界和在可見光光譜中一樣引人注目。最近,哥倫比亞工程大學和哈佛大學的研究人員在《自然》雜志上發表了一項研究,研究了蝴蝶翅膀的熱力學特性,以及輻射冷卻在保持這些精細結構顫振中的重要性。哥倫比亞大學應用物理學副教授Nanfang Yu特別說明了熱成像儀在這項研究中扮演了重要角色。

傳統測量誤差大

  過去對蝴蝶翅膀的研究由于使用熱電偶等設備來測量溫度而受到限制。即使是最小的探針也比蝴蝶翅膀的厚度大,而且測量的行為會影響局部溫度。由于測量是逐點進行的,因此可能會出現額外的誤差。現在有了熱成像儀,“你可以測量和繪制整個溫度分布圖,”Yu說。他的團隊已經能夠觀察和測量翅膀靜脈、膜和其他結構(如氣味墊)之間的溫度差異。他們發現,含有活細胞(翅脈)的蝴蝶翅膀區域比沒有生命的翅膀區域(薄膜)有更高的熱發射率。

  活體翅膀結構(翅膀靜脈、氣味墊/補丁)具有較高的發射率,以便于通過熱輻射散熱

無創紅外測量也有挑戰

  “這是最無創的溫度測量方法” Yu解釋說。在這項研究中,研究小組鑒定了蝴蝶翅膀中復雜的生物結構,這些結構可以熟練地幫助調節溫度。Yu說,通過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構。

紅外世界中的蝴蝶

  “這種熱成像技術使我們能夠檢測物理適應,從而將翅膀的可見外觀與其熱力學特性分離開來。”Yu在《哥倫比亞工程》雜志上的一篇文章中說。“我們發現,不同尺度的納米結構和不均勻的角質層厚度會通過熱輻射產生不均勻的散熱分布,從而有選擇地降低活體結構的溫度,如翅膀靜脈和氣味墊。

  利用熱成像技術測量蝴蝶翅膀的溫度并非沒有障礙。“這里的挑戰是,在測量蝴蝶翅膀時,熱成像儀給你一個溫度讀數,但你卻不能完全相信這個溫度讀數,”Yu說。“蝴蝶翅膀在紅外世界中是半透明的,所以當你用熱成像儀觀察蝴蝶翅膀時,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生的熱輻射。”類似的現象也可以用一層薄薄的塑料薄膜觀察到,比如塑料購物袋,它就像蝴蝶翅膀一樣,在可見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溫度讀數,Yu的團隊必須量化翅膀的發射率和反射率,并從測量中去除這些背景溫度源。

FLIR紅外熱成像儀的應用

  除了繪制蝴蝶翅膀的熱分布圖之外,研究人員還在熱狀態下進行了行為學研究。他們使用一束微弱的光作為熱源,證明了蝴蝶利用翅膀來感知陽光的方向和強度。在大約40°C的“觸發”溫度下,他們研究的所有物種都在幾秒鐘內轉過身,以避開光線并防止翅膀過熱。

  蝴蝶翅膀具有機械傳感器,可檢測光的方向和強度。在這里,蝴蝶迅速移動以防止其翅膀過熱

  這不是Yu第一次使用熱像儀研究昆蟲。“2013年我加入哥倫比亞大學時,FLIR熱像儀是我在建立實驗室時購買的第一批設備之一,” Yu說。在與納米生物學同事的早期合作中,Yu研究了撒哈拉銀蟻,它們生活在地球上最熱的陸地環境中,在白天的高溫下覓食。 這項研究在2015年發表在《科學》中,報道中說研究人員還使用了FLIR熱成像儀監控螞蟻的體溫。

蝴蝶翅膀研究的延伸

  他的最新研究繼續探索小昆蟲如何保持涼爽的問題。蝴蝶翅膀上覆蓋著探測過熱的機械傳感器,它們的翅膀鱗片含有納米結構,有助于輻射冷卻。除了這些發現的生物學意義外,Yu認為這些發現還可以為耐熱納米結構和熱感飛機的設計提供靈感。

  熱成像有助于揭示這種山核桃色的蝴蝶是如何防止過熱的。翅膀紋理之間的薄膜實際上比翅膀的其他部分更熱,但看起來更冷,因為它是半透明的,背景比較冷

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

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