飛蛾披著隱形聲學鬥篷躲避蝙蝠聲納

2020-12-20 科技報告與資訊

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飛蛾可以利用其聲學偽裝的翅膀躲避蝙蝠的聲納。它們進化出的隱身適應能力是由於它們的翼膜上附著了一系列的鱗片,這些鱗片可以吸收獵食蝙蝠發出的超聲波頻率,是自然界中首次發現的聲學超材料。

英國布里斯托大學的一個團隊發現,蝙蝠發出的聲波擊中兩種飛蛾身上的叉形鱗片,會使它們彎曲和扭曲,消散能量。布里斯托大學的聲學生物學家Marc Holderied解釋說:"較少的聲音被反射回蝙蝠,飛蛾因此從蝙蝠的聲納屏幕上消失或部分消失。"

這種策略與他的團隊今年早些時候報導的一種策略不同,飛蛾身上的毛皮平均吸收了69%的超聲波能量。研究人員發現,毛皮與我們在建築物中使用的傳統吸音器沒有太大區別。

翅膀需要更薄的材料和不同的策略。鱗片的長度不到一毫米,厚度只有幾百微米,每個鱗片都以特定的頻率產生共振。加在一起,數萬個單獨調諧的音階至少可以吸收三個八度的聲音。Holderied說:"一個諧振器的組合,每個諧振器都能以各自的頻率吸收聲音,但它們的排列方式,使它們相互作用,共同作為一種超材料,形成寬帶吸收。

「它們是納米級的高度結構,具有強烈的穿孔波紋頂層和底層,並由微小的支柱網絡相互連接,」Holderied解釋道。聲學鬥篷的工作頻率在20kHz和160kHz之間,在較低的頻率上表現最好,大約在蝙蝠掃描獵物的範圍內。吸收峰值發生在78kHz,有72%的聲音被吸收。

被動隱身翼鱗在兩個物種中被發現,分別是中國土星蛾(Antheraea pernyi)和非洲大蛾Dactyloceras lucina。之所以選擇這兩個物種,是因為它們沒有耳朵,聽不到接近蝙蝠的聲音,這種適應性在過去的5000萬年裡在昆蟲中進化了很多次。Holdereid將這種新出現的隱身特性描述為'絕對令人驚嘆',而且這種隱身特性所依賴的原理,工程師們才剛剛開始探索。

曼徹斯特索爾福德大學的聲學工程師Trevor Cox說:"我還沒有在人造技術中看到過這樣的東西。讓東西在整個頻率範圍內工作是一大挑戰。一種方法是使用多孔吸收,但這需要大量的材料。如果想吸收較低的頻率並使用較少的材料,必須使用共振。對於飛機和汽車來說,空間和重量都是很重要的,所以需要尋找更輕的吸音材料。」

論文標題為《Moth wings are acoustic metamaterials》。

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