一隻帝王蝴蝶緩緩地拍打著它橙色和黑色的翅膀，從一片泥巴中吸著液體。它的鼻尖-吸收液體的口部-在潮溼的土壤上吃草。多年來，生物學家們都知道蝴蝶從毛孔表面提取液體的方式與花不同。但他們無法觀察到這些差異。
「生物學家知道這種餵養方式，但沒有工具來觀察發生了什麼，」Daria Monaenkova說，他作為克萊姆森大學的研究生研究了這種行為。
僅用顯微鏡無法揭示莫納恩科娃想要研究的東西。但是一項相對較新的技術，使用非常強大的X光，最終證明是正確的。利用美國能源部的先進光子源，阿貢國家實驗室的科學辦公室用戶設施，Monaenkova和其他研究人員能夠拍攝到生活內部的高解析度視頻。
在過去的十年裡，APS一直是專門從事昆蟲生物力學研究的科學家們的家。研究蝴蝶、蚊子和甲蟲的科學家利用APS揭示了它們如何工作的新見解，並根據這些功能潛在地激發了技術。
研究昆蟲的科學家需要工具來觀察它們堅硬的外部骨骼，揭示軟組織的特徵，記錄千分之一秒長的運動，並顯示長度為百萬分之一米的細節。最重要的是，他們需要捕捉這些系統是如何實時工作的。普通的顯微鏡不能滿足這些需求。
但是由粒子加速器產生的同步X射線可以。就像醫生用X光檢查人體內部一樣，科學家也可以用X光來觀察昆蟲體內的情況。X射線對於拍攝密度不同的結構，如口器和消化系統尤其有用。不只是任何X光都行。科學家們無法控制常規的X射線束來進行這些實驗.但是，科學辦公室的用戶設施光源產生了非常強大的X射線，為科學家提供了非常精細的控制。在APS的情況下，這是足夠的控制，看看裡面的昆蟲，而不汽化它。這些X射線進入科學家進行研究的實驗站。每個APS光束線都有X射線光學，可以選擇X射線的能量並將其聚焦到空間站以滿足科學家的需要。X射線穿過正在研究的物體，進入閃爍體-一種將X射線轉化為可見光的特殊晶體。高端攝像機可以在視頻中捕捉到可見光。「這就像一個全新的世界被揭示出來了，」維吉尼亞理工大學生物力學工程教授傑克·索查(JakeSocha)說。「幾乎所有你能放進光束的東西，你都會第一次看到新的視角。」
即使是那些專門研究X光機的人，圖像的清晰度也是令人驚訝的。一位在APS工作的X光研究人員，現在另一個科學辦公室用戶設施NSLS-II工作，他是這項技術的先驅。在描述他第一次看到結果時，他說，「這種小昆蟲的內部結構非常清晰。」
APS以非常強烈、高能量、緊密的光束達到這一清晰性，而光束也具有很高的亮度(它可以在特定的時間聚焦在特定的地方)。就像一臺需要大量光線的高速快門相機一樣，對於捕捉極快的運動來說，亮度是很重要的。在一項實驗中，科學家以每秒超過10，000幀的速度拍攝了X射線視頻.商業影院的電影通常是每秒24幀。
「光源在速度上仍然有著巨大的優勢，」Socha說，並將它們與其他成像技術進行了比較。
最重要的是，光源可以進行相位對比度成像.普通的X光機依賴於像骨頭這樣的緻密物體吸收大量X射線的事實。那些X光不能到達探測器，圖像的部分就會變暗。但是昆蟲沒有骨頭那麼緻密。因此，他們的身體吸收較少的X光，不會產生清晰的圖像.相位對比度X射線成像解決了這一問題.儘管光物體不會吸收很多X射線，但它們確實改變了它們的波。因為相位對比度探測器可以測量這些變化，它們對密度的微小差異比傳統機器更敏感。事實上，利用APS的圖像，科學家可以區分昆蟲食道中的液體和空氣。Socha說：「它把你從一張模糊的斑點圖片帶到了一張非常清晰的昆蟲圖片上。」
在研究無生命物體時，科學家們必須應對許多挑戰，至少他們不必擔心它們會飛走。
在他們自己處理昆蟲之前，研究人員必須決定機器的設置，這樣才能得到最好的圖像，對昆蟲的危害最小。X光波長越長，對比度越好.同樣地，光束越強烈，圖像就越亮、越清晰。但是波長越長，光束越強烈，X射線對昆蟲的損害就越大。這種傷害會使昆蟲不自然地行動或殺死它們。(雖然科學家們經常在研究結束後殺死這些蟲子，但他們不希望它們在中途死去。)阿早期試驗各種昆蟲的研究發現雖然在光束下5分鐘似乎對大多數物種沒有負面影響，但超過20分鐘使它們暫時癱瘓。即使有了之前的研究，團隊仍然會在APS上花6到8個小時來決定實驗的設置。「有很多試驗和錯誤。你不可能在設置後半小時內進去收集數據，「肯特州立大學(Kent State University)昆蟲學家馬修·萊納特(Matthew Lehnert)說。下一個挑戰是讓他們的飛行和爬行主題保持不變。「你不能就這樣坐在橫梁前說『別動』，」萊納特說。
科學家們在用氮氣殺死昆蟲或使其冷卻後，使用令人驚訝的低科技技術將它們固定在平臺上。一些研究人員將它們固定下來，或用棉花或模擬黏土包圍它們。研究蚊子的科學家用指甲油將蚊子附著在表面。該論文甚至引用了這一品牌，以供其他希望複製該作品的研究人員參考。「指甲油是實驗室最好的工具，」Socha說。下一步是激勵昆蟲執行期望的行為。對於蝴蝶和蚊子，研究人員希望觀察它們的攝食習慣。但是正常的糖溶液不會出現在X光片上。科學家們與APS的工作人員合作，選擇一種他們可以混合到糖溶液中的碘，這樣既能產生清晰的圖像，又能讓蝴蝶願意吃東西。對於轟炸機甲蟲，科學家們想要了解它們是如何在接近沸騰的溫度下產生、加熱和噴射液體噴霧的。但甲蟲不會按命令噴灑。一些人一醒來就噴了藥，他們被X射線爆炸的事實嚇了一跳。對於其他人，科學家們不得不用針戳他們。
雖然這一過程對個體昆蟲來說並不愉快，但科學家們的研究可以幫助他們更好地理解整個物種及其整個進化過程。蝴蝶，甲殼蟲和蚊子，哦，我的由此產生的圖像使實驗值得一試。對於蝴蝶，Monaenkova和她的同事發現鼻子的作用就像海綿和吸管的組合。。鼻尖的海綿狀結構產生毛細血管作用，即液體在沒有吸力的情況下向上流動的能力。這有助於蝴蝶開始從多孔材料、小水滴和水坑中吸收液體的過程。蝴蝶頭上有一個機械裝置，然後將液體泵入鼻尖的吸管狀部分。「沒有這個工具，我們所做的研究是不可能的，」Monaenkova說。
這一發現可以幫助科學家開發新的技術，用於捕獲液體或將藥物運送到人體內的工具。對於蚊子來說，研究人員還發現了一種新的餵食方式。。蚊子的頭部有兩個不同的泵來吸收液體。通過觀察任何時候哪個部分都有食物，科學家們就能計算出每個泵對總流量的貢獻有多大。他們發現了一種新的吸吮方式，比常規吸吮方式強大27倍。這一領域的進一步研究可以幫助科學家更好地了解蚊子是如何傳播寨卡病毒等疾病的。來自麻省理工學院和亞利桑那大學研究轟擊甲蟲的科學家們想要追蹤導致甲蟲噴霧的化學反應的每一個階段。繪製水蒸氣形成、膨脹和移動的圖有助於他們了解甲蟲的身體是如何控制這一過程的。在每一種情況下，APS揭示的機制是：科學家沒有別的研究方法。正如李所說，「我們在這裡所做的工作實際上改變了教科書。」