发布时间：2024-02-06 16:09:40 栏目：生活
布里斯托大学的研究人员揭示了一种飞蛾翅膀发出的超声波警报声的工作原理。
科学家最近发现， Yponomeuta属的飞蛾(即所谓的貂蛾)已经进化出一种非常特殊的声学防御机制，以对抗其回声定位捕食者——蝙蝠。
貂蛾利用其后翅上的微小波纹膜，在每个振翅周期发出两次超声波咔嗒声。引人注目的是，这些飞蛾缺乏听觉器官，因此不知道它们独特的防御机制，也没有能力使用肌肉动作来控制它。
在今天发表在《国家科学院院刊》上的这项研究中，来自布里斯托尔的一个由工程师和生物学家组成的跨学科团队展示了貂蛾后翅上波纹状斑块的各个脊是如何因飞行中翅膀折叠而突然折断的。这些特征的突然突变会振动相邻的膜，从而显着放大所产生声音的强度和方向。由于其在飞行中被动驱动，这种发声器官被称为“气动弹性鼓膜”。
生物科学学院感觉生物学教授Marc Holderied解释说：“我们这项研究的目标是了解这些鼓膜中的波纹如何以精心设计的方式弯曲和折断，从而产生一系列宽带喀哒声。通过这项研究，我们揭示了触发屈曲序列的生物力学，并揭示了如何通过鼓膜共振发出咔嗒声。”
该研究的第一作者Hernaldo Mendoza Nava是布里斯托尔复合材料研究所(BCI)高级复合材料创新与科学博士培训中心的一名博士生，研究了气动弹性鼓膜的力学原理。辐射与机械振动有关，例如鼓皮或扬声器的机械振动。
“在貂蛾中，突然发生的屈曲事件就像鼓膜边缘的鼓声一样，刺激翅膀的更大部分振动并辐射声音。因此，这些毫米大小的鼓膜可以产生相当于人类生动对话水平的超声波。”
为了揭示气动弹性鼓膜的力学原理，埃尔南多结合了生物学和工程力学的最先进技术。机翼形态和材料特性的生物学特征最终导致了对突弹响应和声音产生的详细计算机模拟，这些模拟在频率、结构、幅度和方向上与记录的飞蛾信号相匹配。
BCI 结构数字工程高级讲师Rainer Groh补充道：“本着‘团队科学’的精神，跨学科的各种方法与跨学科边界的一致信息流相结合，使这项研究变得独特且成功。此外，如果没有令人惊叹的现代成像、数据分析和计算能力，就不可能揭示这种复杂生物现象的机制。”
这一发现将帮助研究人员了解许多具有类似声音产生机制的其他昆虫物种，在关于回声定位蝙蝠与其昆虫猎物之间古老的军备竞赛的书中，填补了一页反蝙蝠声学防御的空白。
尽管结构屈曲和声音产生是相互的现象，但很少一起研究。此外，屈曲作为突然的大变形而发生，这作为变形结构领域中的形状改变机制很有吸引力，例如在航空航天工业中，工程师正在寻求优化机翼的空气动力学性能。
BCI 非线性结构力学教授Alberto Pirrera总结道：“在工程设计领域，非线性弹性响应，例如屈曲和突然弹穿不稳定性，传统上被视为需要避免的失效模式。在我们的研究中，我们一直倡导范式转变，并证明可以战略性地利用屈曲事件来为结构注入智能功能或提高质量效率。Yponomeuta 的气动弹性鼓膜体现了有益非线性的概念。
“自然世界再次成为灵感的源泉。”
研究团队预计，通过生物启发，气动弹性鼓膜将鼓励变形结构、声学结构监测和软机器人技术领域的新颖发展。
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