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2019全景工博会
现场仪表

亲近自然!用科学方法揭开蝴蝶“乘凉”的秘密~

  2020年04月08日  

  事实证明,蝴蝶在红外世界和在可见光光谱中一样引人注目。最近,哥伦比亚工程大学和哈佛大学的研究人员在《自然》杂志上发表了一项研究,研究了蝴蝶翅膀的热力学特性,以及辐射冷却在保持这些精细结构颤振中的重要性。哥伦比亚大学应用物理学副教授Nanfang Yu特别说明了热成像仪在这项研究中扮演了重要角色。

传统测量误差大

  过去对蝴蝶翅膀的研究由于使用热电偶等设备来测量温度而受到限制。即使是最小的探针也比蝴蝶翅膀的厚度大,而且测量的行为会影响局部温度。由于测量是逐点进行的,因此可能会出现额外的误差。现在有了热成像仪,“你可以测量和绘制整个温度分布图,”Yu说。他的团队已经能够观察和测量翅膀静脉、膜和其他结构(如气味垫)之间的温度差异。他们发现,含有活细胞(翅脉)的蝴蝶翅膀区域比没有生命的翅膀区域(薄膜)有更高的热发射率。

  活体翅膀结构(翅膀静脉、气味垫/补丁)具有较高的发射率,以便于通过热辐射散热

无创红外测量也有挑战

  “这是最无创的温度测量方法” Yu解释说。在这项研究中,研究小组鉴定了蝴蝶翅膀中复杂的生物结构,这些结构可以熟练地帮助调节温度。Yu说,通过FLIR SC660,几乎就像x光一样,你可以看到——蝴蝶的骨架,翅膀纹理、薄膜…...在热环境下,蝴蝶翅膀的明亮颜色和图案都消失了,取而代之的是你看到的是翅膀本身的底层结构。

红外世界中的蝴蝶

  “这种热成像技术使我们能够检测物理适应,从而将翅膀的可见外观与其热力学特性分离开来。”Yu在《哥伦比亚工程》杂志上的一篇文章中说。“我们发现,不同尺度的纳米结构和不均匀的角质层厚度会通过热辐射产生不均匀的散热分布,从而有选择地降低活体结构的温度,如翅膀静脉和气味垫。

  利用热成像技术测量蝴蝶翅膀的温度并非没有障碍。“这里的挑战是,在测量蝴蝶翅膀时,热成像仪给你一个温度读数,但你却不能完全相信这个温度读数,”Yu说。“蝴蝶翅膀在红外世界中是半透明的,所以当你用热成像仪观察蝴蝶翅膀时,你不仅仅是在接收翅膀本身的热辐射,你还接收到了翅膀后面背景产生的热辐射。”类似的现象也可以用一层薄薄的塑料薄膜观察到,比如塑料购物袋,它就像蝴蝶翅膀一样,在可见光光谱中是不透明的,但在红外光谱中是透明的。

  很薄的材料,如塑料袋或蝴蝶翅膀,在红外光谱中可能是透明的。为了得到蝴蝶翅膀的真实温度读数,Yu的团队必须量化翅膀的发射率和反射率,并从测量中去除这些背景温度源。

FLIR红外热成像仪的应用

  除了绘制蝴蝶翅膀的热分布图之外,研究人员还在热状态下进行了行为学研究。他们使用一束微弱的光作为热源,证明了蝴蝶利用翅膀来感知阳光的方向和强度。在大约40°C的“触发”温度下,他们研究的所有物种都在几秒钟内转过身,以避开光线并防止翅膀过热。

  蝴蝶翅膀具有机械传感器,可检测光的方向和强度。在这里,蝴蝶迅速移动以防止其翅膀过热

  这不是Yu第一次使用热像仪研究昆虫。“2013年我加入哥伦比亚大学时,FLIR热像仪是我在建立实验室时购买的第一批设备之一,” Yu说。在与纳米生物学同事的早期合作中,Yu研究了撒哈拉银蚁,它们生活在地球上最热的陆地环境中,在白天的高温下觅食。 这项研究在2015年发表在《科学》中,报道中说研究人员还使用了FLIR热成像仪监控蚂蚁的体温。

蝴蝶翅膀研究的延伸

  他的最新研究继续探索小昆虫如何保持凉爽的问题。蝴蝶翅膀上覆盖着探测过热的机械传感器,它们的翅膀鳞片含有纳米结构,有助于辐射冷却。除了这些发现的生物学意义外,Yu认为这些发现还可以为耐热纳米结构和热感飞机的设计提供灵感。

  热成像有助于揭示这种山核桃色的蝴蝶是如何防止过热的。翅膀纹理之间的薄膜实际上比翅膀的其他部分更热,但看起来更冷,因为它是半透明的,背景比较冷

  Yu和他的同事Naomi E. Pierce(生物学教授)计划继续他们对蝴蝶翅膀的研究。Pierce是哈佛比较动物学博物馆鳞翅目动物的馆长,可以接触到大量蝴蝶和飞蛾。他们目前正在使用FLIR热成像仪对馆藏进行广泛的扫描,以希望了解有助于蝴蝶翅膀设计的因素。

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