Ультратонкие, супервпитывающие и необычайно сконструированные, чтобы отвлекать внимание, крылья мотыльков могут стать ключом к разработке технологических решений, снижающих шумовую нагрузку в мире.
Новое исследование, представленное учеными из Бристольского университета в PNAS, позволило разобраться с точным строением крыльев бабочек, которое позволяло им выживать на протяжении 65-миллионной эволюционной гонки.
Используя ряд аналитических методов, в том числе визуализацию поперечного сечения, акустическую механику и рефрактометрию, команда из Бристольской школы биологических наук обнаружила, что очень тонкий чешуйчатый слой на крыльях бабочки приобрел необычайные свойства поглощения ультразвука, которые обеспечивают невидимый акустический камуфляж против эхолокаторов летучих мышей.
Что делает открытие еще более примечательным, так это идентификация первого известного естественного акустического метаматериала. Чаще всего при описании метаматериала имеется в виду искусственный композитный, у которого есть физические свойства, превосходящие доступные природе. Метаматериалы встречаются в природе очень редко и с акустической точки зрения ранее не описывались.
В этом году эксперт по поведенческой акустике и сенсорной экологии доктор Марк Холдерид совместно с коллегами сообщил, что у глухих бабочек на телах появились звукопоглощающие чешуйки, позволяющие им поглощать 85 процентов входящей звуковой энергии, которую летучие мыши используют для их обнаружения.
Чтобы выжить, мотыльки создали защитный барьер толщиной 1,5 мм, который действует как пористый звукопоглотитель. Однако это не сработало бы на более толстых крыльях, бабочки бы просто не смогли летать. Ключевой особенностью акустических метаматериалов является то, что они намного меньше длины волны звука, на которую они воздействуют. Это позволяет выигрывать по тонкости в сравнении с традиционной звукопоглощающей конструкцией.
В рамках своего последнего исследования команда, возглавляемая доктором Томасом Нилом и доктором Чжиюан Шен, показала, что бабочки смогли развить еще один адаптационный механизм. Они создали резонансный поглотитель, который в 100 раз тоньше, чем длина поглощаемой волны. Это позволяет насекомым сохранять свою легкость, но уменьшать способность летучих мышей по их поиску.
Изучая сложные изображения поперечного сечения звука, полученные с помощью ультразвуковой томографии, команда обнаружила, что крылья бабочки эволюционировали, чтобы создать резонансный поглотитель, который является эффективной защитой от эхолокаторов летучих мышей. Полученные данные могут серьезно помочь ученым, задействованным в сфере материаловедения, акустики, гидролокаторов.
«Самое удивительное, что поглотитель на крыльях бабочки поглощает все частоты летучих мышей. При этом резонаторы могут индивидуально настраиваться на определенный массив данных. Это первый из известных природных акустических метаматериалов», – рассказывает глава исследования, доктор Холдерид. «Такого широкополосного поглощения очень трудно достичь в ультратонких структурах крыльев бабочек, что и делает это открытие еще более удивительным».
Достигнуть такого эффекта с помощью простых пористых поглотителей, используемых на данный момент, невозможно.
«Новые данные могут помочь в разработке более тонких и эффективных поглотителей звука, по сравнению с текущими громоздкими», – подчеркивает Холдерид.
Это исследование основывается на более ранней работе команды по акустической механике отдельных чешуек и показывает, как более традиционное звукопоглощение чешуей на телах бабочек может быть достигнуто с помощью гораздо более тонких структур на крыльях для обеспечения акустической защиты всего организма.