Ультра-тонкие, супер-абсорбирующие и сверхъестественно спланированные для отвлечения внимания, крылья мотыльков могут содержать ключ к разработке технологических решений по выживанию в шумном мире.
Как сказано в новом исследовании, опубликованном 23 ноября в PNAS, учёные из Бристольского университета открыли точную конструкцию крыльев мотыльков, которая позволяет их видам избегать наиболее проблемного хищника в эволюционной гонке вооружений длиной в 65 миллионов лет.
Используя ряд аналитических техник, включающих построение поперечных сечений в полёте, акустическую механику и рефрактометрию, команда из Бристольской школы биологических наук обнаружила, что очень тонкий слой на крыльях мотыльков в ходе эволюции приобрёл свойство чрезвычайно эффективно поглощать ультразвук, что обеспечивает своего рода акустический камуфляж против летучих мышей, использующих эхолокацию.
Что делает открытие команды ещё более выдающимся, так это то, что они обнаружили первый известный акустический метаматериал, встречающийся в природе. Метаматериалами традиционно называют искусственные композитные материалы, спроектированные для получения физических свойств, превосходящих те, что доступны в природе. Естественно встречающиеся метаматериалы чрезвычайно редки и ранее никогда не были описаны в мире акустики.
Ранее в этом году эксперт по поведенческой акустике и сенсорной экологии доктор Марк Хольдерид и его соисследователи сделали доклад о том, как глухие мотыльки в ходе эволюции приобрели на своих телах поглощающие чешуйки, позволяющие им сорбировать до 85 процентов поступающей звуковой энергии, которую летучие мыши используют для обнаружения.
Необходимость выживания означала, что мотыльки выработали защитный барьер из чешуек толщиной 1,5 мм, который работает как пористый поглотитель звука. Однако такой защитный барьер не работал бы на крыльях, где увеличение толщины мешает способностям мотыльков к полёту. Ключевая черта акустических метаматериалов состоит в том, что они намного меньше, чем длина волны звука, на который они влияют, что позволяет им быть намного тоньше, чем звукопоглотители традиционных конструкций.
В новейшем исследовании команда из Бристоля, ведущими авторами которой являются доктор Томас Нил и доктор Жиюань Шэнь, обнаружила, что мотыльки прошли ещё на шаг дальше в их борьбе за жизнь, создав резонирующий поглотитель, который в 100 раз тоньше длины волны звука, который он поглощает, таким образом позволяя насекомому оставаться лёгким и при этом снижая вероятность обнаружения летучими мышами, которые детектируют эхо от их крыльев в полёте.
Исследовав сложные перекрёстные звуковые проекции, полученные посредством ультразвуковой томографии, команда открыла, что крылья мотыльков эволюционировали для создания резонирующего поглотителя, который эффективно защищает от эхолоцирующих летучих мышей. Результаты могут заметно помочь усилиям материаловедов, акустиков и звукоинженеров, позволив разработать бионические звукопоглотители с исключительно высокими показателями соотношения толщины к длине волны.
«Самое поразительное в том, как крылья мотыльков эволюционировали таким образом, чтобы создать резонирующий поглотитель, который вбирает все частоты, используемые летучими мышами. Они сделали это, добавив ещё одну потрясающую черту — крылья собирают множество этих резонаторов, каждый из которых настроен на разные частоты, в целые массивы поглотителей, которые вместе создают широкодиапазонный поглотитель, работающий как акустический метаматериал — первый известный в природе, — сказал главный исследователь доктор Хольдерид. — Такого широкодиапазонного поглощения очень сложно достичь в ультратонких структурах крыльев мотыльков, что делает это таким выдающимся».
Это свойство идёт далеко за пределы, достижимые при помощи классических пористых поглотителей, которые сейчас используются в офисных помещениях, с их большими, толстыми материалами.
Доктор Хольдерид добавил: «Исследование может позволить создать намного более тонкие звукопоглотители для наших домов и офисов. Мы могли бы подойти намного ближе к созданию гораздо более разнообразных и приемлемых звукопоглощающих “обоев” вместо громоздких поглощающих панелей».
Это новейшее исследование развивает предшествующую работу команды над акустической механикой отдельных чешуек и показывает, как более традиционное звукопоглощение чешуйками на телах мотыльков может быть обеспечено гораздо более тонкими структурами на крыльях, чтобы обеспечить весь организм акустической защитой.
Перевод Антон Меньшенин, редактор Марлен Тальберг.
