热成像让研究人员看到蝴蝶翅膀表面以外的东西

事实证明，蝴蝶在热光谱中和在可见光光谱中一样引人注目。根据哥伦比亚工程学院和哈佛大学的研究人员在《自然》杂志上发表的一项研究，有可能研究蝴蝶翅膀的热力学特性，以及辐射冷却在保持这些微妙结构抖动中的重要性。哥伦比亚大学应用物理学副教授于南方介绍了热成像在这项研究中发挥的重要作用。

“这是最无创的测量温度的方法，”Yu解释道。在这项研究中，研究小组发现了蝴蝶翅膀中复杂的活结构，它们熟练地帮助调节体温。有了像FLIR T865这样的热成像相机，“你基本上开始看到蝴蝶的骨架，”Yu说。“这几乎就像x光一样——你可以看到框架、翼静脉、膜……翼材料的整个截面。”在热成像中，蝴蝶翅膀上鲜艳的颜色和图案都消失了，取而代之的是你看到的是翅膀本身的底层结构。

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过去对蝴蝶翅膀的研究由于使用热电偶等设备来测量温度而受到限制。即使是最小的探头与蝴蝶翅膀的厚度相比也很大，而且测量的行为会影响当地的温度。由于只是逐点测量，可能会出现额外的不准确性。Yu说，有了热能，“你可以测量和绘制整个温度分布。”他的团队已经能够观察和测量翼静脉、膜和其他结构(如气味垫)之间的温度差异。他们发现，蝴蝶翅膀上含有活细胞(翼脉)的区域比翅膀上“没有生命”的区域(膜)有更高的热发射率。

活翼结构(翼脉、气味垫/斑块)具有较高的发射率，以促进热辐射散热。图片来源:Nanfang Yu和Cheng-Chia Tsai

“这种成像技术使我们能够检查物理适应性，将机翼的可见外观与它的热力学特性分离开来，”Yu在哥伦比亚工程杂志的一篇文章中说。“我们发现，不同尺度的纳米结构和不均匀的角质层厚度创造了一种不均匀的辐射冷却分布——通过热辐射散热——选择性地降低了生命结构的温度，如翼静脉和气味垫。”

用热成像测量蝴蝶翅膀的温度并非没有障碍。“这里的挑战是，在蝴蝶翅膀的情况下，热成像相机给你一个温度读数，但你不能相信温度读数，”Yu说。“蝴蝶的翅膀在红外波段是半透明的，所以当你在热成像相机中观察蝴蝶翅膀时，你不仅会接收到翅膀本身的热辐射，还会接收到翅膀背后背景产生的热辐射。”类似的现象也可以用塑料薄膜观察到，比如塑料购物袋，它就像蝴蝶的翅膀一样，在可见光光谱中是不透明的，但在红外光谱中是透明的。

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像塑料袋或蝴蝶翅膀这样非常薄的材料在红外光谱中可能是透明的。为了获得蝴蝶翅膀的真实温度读数，Yu的团队必须量化翅膀的发射率和反射率，并从他们的测量中去除这些背景温度来源。

除了绘制出蝴蝶翅膀的热分布，研究人员还进行了他们在热观测中观察到的行为研究。他们用一个小光源作为热源，证明蝴蝶用翅膀来感知阳光的方向和强度。在大约40°C的“触发”温度下，他们研究的所有物种都在几秒钟内转身避开光线，防止翅膀过热。

蝴蝶的翅膀上有机械传感器，可以探测光的方向和强度。在这里，蝴蝶快速移动以防止翅膀过热。图片来源:Nanfang Yu和Cheng-Chia Tsai

这不是余第一次使用热成像相机来研究昆虫。“当我2013年加入哥伦比亚大学时，FLIR相机是我在建立实验室时购买的首批设备之一，”Yu说。虽然他的研究主要集中在纳米光子学，但他对生物学、光子学和物理学之间的交叉尤其感兴趣。他在生物学领域的研究朋友们“经常向我提出他们所研究动物的生活史方面的问题……我很有兴趣从物理学和光子学的角度帮助他们解决这些谜团。”

在早期与一位纳米生物学家同事的合作中，Yu研究了撒哈拉银蚁，它们在地球上最热的陆地环境之一，在一天最热的时候觅食。在2015年发表在《科学》杂志上的这项研究中，研究人员还使用了FLIR科学相机来监测蚂蚁的体温。他们想知道这么小的昆虫是如何在如此恶劣的环境中生存下来的。“这里有趣的事情是了解小而轻的昆虫——微小的蚂蚁或蝴蝶的薄翅膀——是如何管理热力学的，因为默认情况下，它们在这方面非常糟糕，”Yu解释道。由于它们的热容小，像昆虫这样的小动物可以在几秒钟内加热到极端温度。

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蝶科蝴蝶的红外成像。图片的强度与热发射率成正比，热发射率是通过热辐射散发热量的能力。图像显示，机翼的活动部分有较高的热发射率。图片来源:Nanfang Yu和Cheng-Chia Tsai

银蚁用覆盖在身体上的细毛来应对极端高温。这些毛发有两个功能:向后散射可见光和红外波长的光，以减少对太阳能的吸收;提高热发射率，因此当蚂蚁的身体受热时，它可以更好地以热辐射的形式分配热量。

“我们想知道小动物是如何在极端高温下生存下来的，”Yu说。他的最新研究继续探索小昆虫如何保持凉爽的问题。蝴蝶的翅膀上布满了探测过热的机械传感器，它们的翅膀鳞片含有纳米结构，有助于促进辐射冷却。除了这些发现的生物学意义外，Yu认为它们可以为设计耐热纳米结构和热感测飞机提供灵感。

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热成像有助于揭示蝴蝶是如何避免过热的。翼静脉之间的膜实际上比翼的其他部分更热，但看起来更冷，因为它是半透明的，背景很冷。图片来源:Nanfang Yu和Cheng-Chia Tsai

Yu和他的同事，埃塞尔生物学教授Naomi E. Pierce计划继续他们对蝴蝶翅膀的研究。皮尔斯是哈佛大学比较动物学博物馆鳞翅目昆虫馆的馆长，他可以接触到大量的蝴蝶和飞蛾。他们目前正在使用热成像相机对藏品进行广泛扫描，希望能了解影响蝴蝶翅膀设计的因素。俞敏洪将这项工作比作“解读一本复杂的书”，因为在蝴蝶翅膀的进化过程中有许多不同的元素。显然，这是一本值得仔细阅读的书，以了解我们可能发现的其他发现。

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