后院昆虫激发了耳机 装置和下一代技术的灵感
宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究表明，叶蝉是一种常见的后院昆虫，它们会分泌微小的神秘颗粒并将其包裹在自己身上，这些颗粒可以为下一代技术提供灵感和指导。首先，该团队精确地复制了这些颗粒(称为溴化体)的复杂几何形状，并阐明了它们如何吸收可见光和紫外线的更好理解。
机械工程和生物医学工程教授 Tak-Sing Wong 表示，这可能有助于开发仿生光学材料，其应用范围从耳机 耳机 装置到涂层，以更有效地收集太阳能。 Wong 领导的这项研究于今天(3 月 18 日)发表在《美国国家科学院院刊》 ( PNAS ) 上。
这种独特的微小颗粒具有不寻常的足球状几何形状，并带有空腔，自 20 世纪 50 年代以来，它们对昆虫的确切用途一直是科学家们的一个谜。 2017 年，Wong 领导了宾夕法尼亚州立大学的研究团队，该团队率先创建了溴化体的基本合成版本，以更好地了解其功能。
“这一发现对于技术创新非常有用，”机械工程博士后学者、该研究的主要作者林王说。 “通过调节表面光反射的新策略，我们也许能够隐藏人类或机器的热特征。也许有一天，人们可以根据叶蝉的技巧开发出一种热耳机 斗篷。我们的工作展示了理解自然如何帮助我们开发现代技术。”
王接着解释说，尽管科学家们对支气管体粒子的了解已有四分之三个世纪了，但由于粒子几何形状的复杂性，在实验室中制造它们一直是一个挑战。
Wang 说：“目前还不清楚为什么叶蝉会产生具有如此复杂结构的颗粒，我们在实验室中利用高科技 3D 打印方法成功地制造了这些支气管体。我们发现这些实验室制造的颗粒可以减少高达 94% 的光反射。这是一个重大发现，因为这是我们第一次看到大自然做这样的事情，它使用空心粒子以如此特定的方式控制光。”
关于叶蝉为什么给自己披上一层溴状体盔甲的理论多种多样，从让它们免受污染物和水的侵害，到像超级英雄一样的耳机 斗篷。然而，机械工程和生物医学工程教授、该研究的通讯作者 Tak-Sing Wong 表示，对它们几何形状的新认识提出了一种很大的可能性，即它的主要用途可能是躲避捕食者的斗篷。
研究人员发现，支气管体中孔的大小使其具有中空的足球状外观，这一点极其重要。无论昆虫的身体大小如何，叶蝉物种的大小都是一致的。支气管体的直径约为 600 纳米，约为单个细菌大小的一半，支气管体孔的直径约为 200 纳米。
“这让我们提出一个问题，”黄说。 “为什么会有这种一致性?拥有约 600 纳米的支气管体和约 200 纳米的孔的秘密是什么?这有什么目的吗?”
研究人员发现，溴化体的独特设计有双重用途：吸收紫外线，降低鸟类和爬行动物等具有紫外线视觉的捕食者的可见度;散射可见光，形成抗反射屏障，抵御潜在威胁。孔的大小非常适合吸收紫外线频率的光。
研究人员表示，这可能会给人类使用合成溴化体带来多种应用，例如更高效的太阳能收集系统、保护药物免受光损伤的涂层、更好地保护皮肤免受阳光伤害的先进防晒霜，甚至耳机 装置。 。为了测试这一点，该团队首先必须制造合成溴化体，这本身就是一个重大挑战。
在 2017 年的研究中，研究人员使用合成材料模仿了支气管体的一些特征，特别是凹坑及其分布。这使他们开始了解光学特性。然而，他们只能制造出看起来像纤维体的东西，而不是精确的复制品。
Wong 说：“这是我们第一次能够制作出天然支气管体的精确几何形状。”他解释说，研究人员能够利用先进的 3D 打印技术创建支气管体结构的按比例合成复制品。
他们打印了一个尺寸为 20,000 纳米的放大版，大约是人类头发直径的五分之一。研究人员使用 3D 打印精确复制了形状和形态，以及孔的数量和位置，以生产出仍然很小的人造支气管体，这些人造支气管体足够大，可以进行光学表征。
他们使用微傅里叶变换透视 (FTIR)光谱仪来检查支气管体如何与不同波长的透视 光相互作用，帮助研究人员了解这些结构如何操纵光。
接下来，研究人员表示，他们计划改进合成支气管体的制造，使生产规模更接近天然支气管体的大小。他们还将探索合成溴化酶体的其他应用，例如信息加密，其中类似溴化酶体的结构可以用作加密系统的一部分，其中数据仅在某些光波长下可见。
王指出，他们的支气管体工作展示了仿生研究方法的价值，科学家们从大自然中寻找灵感。
“大自然一直是科学家开发新型先进材料的好老师，”王说。 “在这项研究中，我们只关注了一种昆虫物种，但还有更多令人惊奇的昆虫正在等待材料科学家研究，它们或许能够帮助我们解决各种工程问题。它们不仅仅是错误;它们也是错误。他们是灵感。”
除了宾夕法尼亚州立大学的 Wong 和 Wang 之外，参与这项研究的其他研究人员还包括卡内基梅隆大学的机械工程教授 Shen Shen 和机械工程博士生 Zhuo Li，他们为这项研究的模拟做出了贡献。王和李对这项工作做出了同等贡献，研究人员已为此申请了美国临时专利。海研究办公室支持这项研究。
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