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飛蛾翅膀竟是天然隱形聲學超材料

  據《美國國家科學院院刊》近日報道,英國研究人員發現了飛蛾翅膀的精確構造,正是這種構造使該物種能夠逃脫6500萬年前的“進化軍備競賽”中最麻煩的捕食者。

  布里斯托大學生物科學學院的研究小組使用包括機載橫截面成像、聲學力學和折光儀在內的一系列分析技術,發現蛾翼上非常薄的鱗片層已經演化出非凡的超聲吸收特性,從而為躲避蝙蝠的回聲探測提供了隱形的聲學偽裝。

  更加引人注目的發現是,研究人員確定了首個已知的天然發生的聲學超材料。傳統上,超材料被描述為一種人造復合材料,該材料經過工程設計以顯示出超過自然界中可用的物理性能。天然存在的超材料非常稀少,在聲學領域從未有過描述。

  今年早些時候,行為聲學和感官生態學專家馬克·霍爾德里德博士及其合作研究人員報告說,聾蛾在身體上可發展出超聲波吸收鱗片,從而使它們能夠吸收蝙蝠用來檢測它們的傳入聲能的85%。

  生存的需要意味著飛蛾會進化出1.5毫米深的鱗片防護屏障,該屏障可用作多孔吸聲材料。但是,這種保護性屏障不能在蛾翼上起作用,因為蛾翼的厚度增加會阻礙飛蛾的飛行能力。聲學超材料的一個關鍵特征是,它們要比作用于其上的聲音的波長小得多,從而使其比傳統構造的吸聲器薄得多。

  通過檢查使用超聲波斷層攝影術捕獲的聲音的復雜橫截面圖像,布里斯托大學的最新研究發現,飛蛾進一步邁出了挽救生命的一步,創造出了一種共振吸收器,其厚度要比吸收的聲音波長薄100倍,從而使昆蟲在保持輕盈的同時,減少蝙蝠探測到其飛行中翅膀回聲的可能性。

  最令人驚訝的是,蛾翼還通過添加另一個驚人的功能,發展出一種使共振吸收器吸收所有蝙蝠頻率的方法——它們將許多單獨調諧到不同頻率的共振器組裝成一系列吸收器,從而共同創建出可作為聲學超材料的寬帶吸收器。這是自然界中第一種已知的聲學超材料。

  蛾翼超薄結構所獲得的寬帶吸收性能很難實現,其出色性在于遠遠超出了目前用于辦公室環境吸收聲音的傳統多孔吸收器所能達到的極限。由此帶來的愿景是,科學家或可據此設計出用于家庭和辦公室的超薄吸聲器“墻紙”,以替代目前使用的笨重的吸聲器面板。

責任編輯:劉夢恬
關鍵詞: 科技 飛蛾 超聲波
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