科企岛:飞蛾翅膀涂层成为未来声学新材料

聋飞蛾毛茸茸的吸音翅膀可能是未来声学材料的关键。

大约6500万年前,也就是恐龙灭绝的时候,蝙蝠进化出了回声定位的能力。它们会用嘴或鼻子发出咔嗒声,并在黑暗中倾听这些咔嗒声在物体表面和动物身上反弹产生的回声。蝙蝠是飞蛾的主要捕食者,所以许多飞蛾进化出了对回声定位敏感的耳朵——但不是所有的飞蛾。

有些物种,比如毛丝蛾,是不长耳朵的。相反,它们使用了另一种已经可以利用的防御机制:吸音翅膀。

2018年,布里斯托尔大学的一组研究人员发现,毛蛾的翅膀上有一层涂层,可以吸收多达85%的击中它们的声音,这使得蝙蝠很难找到它们,因为它们的叫声没有得到很好的反射。

现在,同一团队的一项新研究表明,这些蛾子的翅膀可以激发出一种新型的超薄声学材料,这种材料可以用作墙纸,比目前市场上的材料薄10倍。

这并不是人类第一次向大自然求助。墙纸的设计虽然具有开创性,但它属于一个被称为仿生学的现有领域,即在人造系统中模仿自然设计和过程的行为。例如,受蜘蛛网上的紫外线反射线启发的鸟类安全玻璃;受白蚁丘启发的散热孔;当然,还有模仿鸟类的飞机机翼

飞蛾是在2.5亿年前进化出来的,比蝙蝠早了大约2亿年前。布里斯托尔大学的感觉生物学教授马克·霍尔德里德(Marc Holderied)和托马斯·尼尔(Thomas Neil)共同撰写了这项新研究。他表示,在蝙蝠出现之前,聋毛蛾的翅膀上就有鳞片——也许是为了保护自己不受黏糊糊的蜘蛛网的伤害。所以它们所要做的就是调整它们的功能。

科学家们知道,无耳飞蛾必须依靠它们的声翼来生存,但他们花了六年时间才弄清楚这到底是怎么回事。霍尔德里德说,秘诀在于它们翅膀上的一层微尘。

在显微镜下,这些灰尘看起来像一组微小的重叠鳞片,类似于复杂的屋顶瓦片图案。当声音以正确的频率击中音阶时,音阶就会开始振动。通过振动,它们将空气中的声能转化为机械能,最终衰减并转化为热。这个过程被称为共振吸收。

这就是声音频率发挥作用的地方。每个声音频率都有一个波长。霍尔德里德说,对于传统的声学材料来说,它们的厚度需要达到波长的十分之一。因此,对于波长很长的声音,比如飞机的持续嗡嗡声,或者餐馆嘈杂的背景噪音,我们需要厚一些(几英寸)的声波材料,并且多孔性足够,当声波击中它们时能够分散。

相比之下,共振吸收器的厚度可以达到它们试图阻止的波长的百分之一。霍尔德里德说:“这为我们人类打开了大量的机会,试图理解进化赋予这些飞蛾翅膀的机制,并把它变成对我们的听觉范围有用的东西。”

这种新材料的工作原理有点像一种超薄的壁纸织物,应用于从办公室墙壁到飞机座椅的各种表面。

“我们谈论的是毫米而不是厘米的东西,”霍尔德里德说,并指出共振材料将比传统声学中使用的多孔材料更有效。他说,当一种材料变薄时,它也会变轻,例如,这可以帮助减轻飞机的整体重量,节省燃料。

霍尔德里德的团队正在研究几种由超材料制成的原型。这些工程材料由大量细胞构成;在这种情况下,鳞片会模仿飞蛾翅膀的工作方式。他不能透露构成更大的超材料的确切材料,但他说,第一个原型是4 × 4英寸,以现有的材料,如硅和其他易于操作的东西为特色。

现在的挑战是如何将这一概念转化为适用于人类的听觉范围。在这项特殊的研究中,科学家们使用的超声波信号超出了人类能听到的范围,但霍尔德里德说,超材料上每个尺度的大小可以帮助决定它能吸收的声音类型。

新材料上市可能还需要几年的时间,但如果它真的上市了,那将是2.5亿年作用的高点。