借助仿真探究生物聲學偽裝行為及應用

某些飛蛾通過其特殊鱗狀翼展現的聲學偽裝特性來避開蝙蝠的回聲定位。英國布里斯托大學的研究人員嘗試對這種效應進行建模,以更好地理解其中的聲振現象,并探索在其他領域應用寬頻聲學偽裝的可能性。


Brianne Christopher
2020 年 12 月

你是否曾經看到過地面、樹枝或灌木叢上的葉子突然動了一下?許多昆蟲和蛛形綱動物通過偽裝與周圍環境融為一體來避免掠食者的捕食。例如,蘭花螳螂的翅膀看上去就像一朵蘭花的嫩芽,竹節蟲(也被稱為“蝽甲”)的胳膊和腿長得像棕色的小樹枝,月形天蠶蛾的一對熒光綠色翅膀與明亮的樹葉非常相似。

然而,在嘗試避開昆蟲的一種主要捕食者——蝙蝠時,這種視覺偽裝功能是有爭議的:蝙蝠不是用眼睛看,而是通過回聲定位導航尋找食物。那么這時昆蟲該如何保護自己呢?事實證明,某類飛蛾,如 布氏藻 (Bunaea alcinoe)或白菜樹皇蛾(cabbage tree emperor moth)具有的鱗片狀翅膀展現出的聲學偽裝特性,能夠保護它們免受蝙蝠的先進聲吶探測。

英國布里斯托大學(University of Bristol)的研究人員通過數值仿真技術研究了這種翅鱗現象,并探索了這類聲學偽裝功能在其他領域應用的潛在可能性。

回聲定位遇見共振

6500 萬年以來,蝙蝠一直在尋找飛蛾作為它的食物來源。有些飛蛾可以探測到蝙蝠靠近的信號,有些飛蛾則使用毒藥防御或發出“咔嗒”聲使蝙蝠受到驚嚇而飛走。白菜樹皇蛾既沒有聽覺又無毒性,但是它也并非毫無辦法。它依靠的是一種更加被動的防御策略:聲學偽裝(也稱為聲隱身)。

A brown moth with white, black, and orange details seen from above with the wings spread out. Cabbage tree emperor moth
圖1 布氏藻或白菜樹皇蛾。圖片由Lsadonkey拍攝提供。通過維基百科在 CC BY-SA 4.0 下獲得許可。

飛蛾如何利用聲學偽裝抵御蝙蝠的襲擊呢?近距離觀察飛蛾的翅膀,我們就能找到答案。飛蛾的翅膀是由幾丁質構成的固態薄膜,幾丁質是一種由葡萄糖衍生的長鏈聚合物,堅硬的翼脈將固態薄膜固定在適當的位置。觀察地更加仔細點,我們就會發現:飛蛾翅膀的上下表面覆蓋著許多重疊的鱗片,類似于屋頂上的瓦磚,并且每一片鱗片都是多孔的而且結構復雜。布里斯托大學的研究人員 Zhiyuan Shen 說:“具有如此復雜塑形的鱗片結構意味著復雜的進化適應性,這類似于視覺信號中高度組織化的納米級光子結構?!?/p>

這些長度小于 0.25mm 的翅鱗,使用的信號頻率為 11 kHz~212 kHz(參考文獻1)小于蝙蝠用于回聲定位波長的 1/10。布里斯托大學的研究人員在其論文《超聲波頻率中飛蛾翅鱗的生物力學》中假設,飛蛾翅膀可以歸類為具有亞波長厚度的超薄吸聲體,作用類似于共振吸聲體。為了研究這一假設,該小組期望能夠捕獲翅鱗中的主要物理現象,并展示飛蛾鱗片可以在共振時獲得高吸聲系數。為此,他們使用了數值仿真的方法。

先進成像技術遇到數值仿真

首先,研究人員在實驗室中培養了幾個蛾蛹直到成熟。然后,他們收集了飛蛾翅膀的樣本,使用了2種先進技術進行成像——掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy ,SEM)和共焦顯微術(confocal microscopy)。SEM 技術包括將飛蛾翅膀的各個部分安裝在固著碳片上,然后在碳片上涂一層 5nm 厚的薄金層。接著,在高真空和變壓模式下對飛蛾翅鱗進行成像,并放大以獲得高清圖像。在共焦顯微鏡檢測過程中,研究團隊將單片翅鱗浸入甘油中,并將其密封在兩個顯微鏡檢測載玻片之間,飛蛾翅鱗通過自發熒光獲得超清圖像。

A collage of six real images of a moth scale and two models. Moth scale structure
圖2 飛蛾翅鱗結構的各種顯微視圖。

一旦獲得飛蛾翅鱗的高清圖像,團隊就能夠從圖像中提取 3D 數據并將其轉換成 3D 等值面模型,在 MATLAB® 中保存為 STL 格式,并使用 LiveLink™ for MATLAB® 將其導入 COMSOL Multiphysics® 中。通過使用 COMSOL Multiphysics® 軟件創建的模型,研究團隊確定了飛蛾翅鱗的理想晶胞,并將其參數化以研究等效的材料屬性。

A unit cell of a moth scale shown repeatedly in nine models, where three are gray geometry models and six are visualized in rainbow.
Parameterized model
圖3 飛蛾翅鱗晶胞單元的參數化模型。

接下來,團隊對飛蛾翅鱗進行了聲振分析。它們使用 COMSOL Multiphysics® 軟件中的周期性 邊界條件模擬了單個晶胞單元,而不是模擬整個翅鱗陣列,這樣可以節省計算資源和內存?!拔覀兛梢詫⒛P秃喕癁閹讉€翅鱗,并使用周期性 邊界條件將結構擴展為一個陣列。如果我們創建一個實際的陣列模型,計算機的計算量將太大?!?Shen 說道。然后,團隊使用 COMSOL Multiphysics® 軟件對一個宏觀尺度有限元模型模擬了以超聲波頻率振動的翅鱗,用于計算飛蛾翅鱗的振動?!癈OMSOL® 軟件確實擅長解決多物理場耦合問題。我們既需要聲學又需要固體力學,用于了解超聲波與翅鱗結構如何耦合?!盨hen 補充道。

Six model views of a moth wing scale with resonance visualized in rainbow. Resonances
圖4 飛蛾翅鱗的共振。

該團隊還建立了兩個模型來分析飛蛾翅鱗的阻尼效應,以及由這種翅鱗片組成的整個蛾翼的超聲特性。前者由一端完全夾緊的單個翅鱗片組成;后者則在鱗片上增加了瑞利阻尼(Rayleigh damping),并被用于計算鱗翅陣列的吸聲系數。

結果驗證

為了查看模型計算出的飛蛾翅鱗振動與真實振動之間的關系,該團隊利用激光多普勒振動計(laser Doppler vibrometer ,LDV)表征了單個翅鱗的振動行為。LDV 測試結果與第一模態和第三模態的共振計算結果的吻合度非常好,分別僅相差 2.9% 和 1.0%。使用 COMSOL 模型計算得出的諧振分別為 28.4kHz、65.2kHz 和 153.1kHz,而 LDV 測試結果分別為 27.6kHz、90.8kHz 和 152.3kHz。第二模態出現 28% 的偏差,這可以用飛蛾翅鱗的曲線形狀簡化解釋:團隊在建模時將鱗片的穿孔率設置為常數,而實際上該參數是變化的,并且在 LDV 測量期間入射聲波也不一致。

Two 1D graphs comparing measured and simulation results to each other; the left-side graph shows displacement over frequency and the right-side graph shows coefficient value over frequency. Measured results vs. simulation results
圖5 模型模擬的飛蛾翅鱗模態與 LDV 測量值的比較。

有趣的是,使用該模型計算得到的飛蛾翅鱗模態與蝙蝠用于回聲定位的生物聲吶區間(通常為 20kHz–180kHz)相重疊,并擴大了其范圍。為了解這是否只是一個巧合,研究人員對一個模仿蝴蝶翅膀鱗片結構的晶胞單元再次進行分析。分析結果顯示,模擬得到的蝴蝶翅鱗的模態(88.4kHz、150.9kHz 和 406.0kHz)超出了蝙蝠的生物聲吶范圍。從進化的角度講,這是合理的:飛蛾是在夜間活動的,通常在蝙蝠的捕食范圍內;而蝴蝶在白天卻很活躍,不需要保護自己免受蝙蝠的攻擊。這種比較為飛蛾可能已經進化到通過聲學偽裝來躲避蝙蝠捕食這一理論提供了支持。

聲學偽裝的潛在應用

這項研究是通過數值仿真和實驗表征飛蛾翅鱗的生物力學和振動行為的一項全新嘗試。研究結果表明,多物理場仿真軟件可用于精確捕獲飛蛾翅鱗振動行為,為在該領域進行以仿真為導向的分析方式鋪平了道路。布里斯托大學團隊的未來計劃是將現有的周期性模型擴展為一個完整的飛蛾翅鱗陣列 3D 模型。

這項研究本身對于其他領域也產生了深遠的影響。通過了解飛蛾翅鱗的聲振行為,研究人員可以著手開發具有相同聲學偽裝功能的宏觀結構?!叭绻覀兛梢灾圃祜w蛾翅鱗仿生材料,就可以將其應用于高效超聲吸聲體。如果我們能找到一種厚度僅為其工作波長的 1/100 的材料,將大幅改進現有的聲學設計?!盨hen 表示。

未來,我們期望能夠看到在建筑物設計和國防技術中,應用具有聲學偽裝特性的增強型降噪材料——當從自然界中汲取靈感時,你會為自己從中的收獲感到驚喜。

參考資料

  1. G. Jones and M. Holderied, "Bat echolocation calls: adaptation and convergent evolution", Proc Biol Sci., vol. 274(1612), pp. 905–912, 2007.

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