红外热像仪帮助科研人员揭开蝴蝶翅膀的奥秘
图片来源：Nanfang, Yu 和 Cheng-Chai Tsai
事实证明，蝴蝶在红外世界和在可见光光谱中一样引人注目。最近，哥伦比亚工程大学和哈佛大学的研究人员在《自然》杂志上发表了一项研究，研究了蝴蝶翅膀的热力学特性，以及辐射冷却在保持这些精细结构颤振中的重要性。哥伦比亚大学应用物理学副教授Nanfang Yu特别说明了热成像仪在这项研究中扮演了重要角色。
“这是测量温度是无创的方法，”Yu解释到。在这项研究中，研究小组确定了蝴蝶翅膀中复杂的结构，这些结构可以熟练地帮助调节温度。此项研究中使用的红外热像仪是FLIR SC660科研用热像仪。“你基本上能看见蝴蝶的骨架，这就像是X光照片——你能看到蝴蝶的整体骨架、翼静脉、膜……整个翅膀的横截面。”，Yu说。在热图像中，蝴蝶翅膀的鲜艳颜色和图案都消失了，取而代之的是翅膀的骨架结构。
热成像图像下的热斑科蝴蝶。图片来源：Nanfang, Yu 和 Cheng-Chai Tsai
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。即使是最小的探针也比蝴蝶翅膀的厚度大，而且测量的行为会影响局部温度。由于测量是逐点进行的，因此可能会出现额外的误差。现在有了热成像仪，“你可以测量和绘制整个温度分布图，”Yu说。他的团队已经能够观察和测量翅膀静脉、膜和其他结构（如气味垫）之间的温度差异。他们发现，含有活细胞（翅脉）的蝴蝶翅膀区域比没有生命的翅膀区域（薄膜）有更高的热发射率。
活体翅膀结构（翅膀静脉、气味垫/补丁）具有较高的发射率，以便于通过热辐射散热。图片来源：Nanfang Yu 和 Cheng-Chia Tsai
“这种热成像技术使我们能够检测物理适应，从而将翅膀的可见外观与其热力学特性分离开来。”Yu在《哥伦比亚工程》杂志上的一篇文章中说。“我们发现，不同尺度的纳米结构和不均匀的角质层厚度会通过热辐射产生不均匀的散热分布，从而有选择地降低活体结构的温度，如翅膀静脉和气味垫。
利用热成像技术测量蝴蝶翅膀的温度并非没有障碍。“这里的挑战是，在测量蝴蝶翅膀时，热成像仪给你一个温度读数，但你却不能完全相信这个温度读数”，Yu说。“蝴蝶翅膀在红外世界中是半透明的，所以当你用热成像仪观察蝴蝶翅膀时，你不仅仅是在接收翅膀本身的热辐射，你还接收到了翅膀后面背景产生的热辐射。”类似的现象也可以用一层薄薄的塑料薄膜观察到，比如塑料购物袋，它就像蝴蝶翅膀一样，在可见光光谱中是不透明的，但在红外光谱中是透明的。
很薄的材料，如塑料袋或蝴蝶翅膀，在红外光谱中可能是透明的。为了得到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，并从测量中去除这些背景温度源。
除了绘制蝴蝶翅膀的热分布图之外，研究人员还在热状态下进行了行为学研究。他们使用一束微弱的光作为热源，证明了蝴蝶利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过身，以避开光线并防止翅膀过热。
蝴蝶翅膀具有机械传感器，可检测光的方向和强度。在这里，蝴蝶迅速移动以防止其翅膀过热。图片来自：Nanfang Yu 和 Cheng-Chia Tsai
这不是Yu第一次使用热像仪研究昆虫。“2013年我加入哥伦比亚大学时，FLIR热像仪是我在建立实验室时购买的第一批设备之一，” Yu说。虽然他的研究主要集中在纳米光子学，但她对生物学、光子学和物理学之间的交叉特别感兴趣。他在生物学领域的研究朋友们说，“他们经常问我关于他们正在研究的动物的生活史……我很有兴趣从物理学和光子学的角度来帮助他们解决这些谜题。”
在与纳米生物学同事的早期合作中，Yu研究了撒哈拉银蚁，它们生活在地球上最热的陆地环境中，在白天的高温下觅食。 这项研究在2015年发表在《科学》中，报道中说研究人员还使用了FLIR热成像仪监控蚂蚁的体温。他们想知道这些小昆虫是如何在如此恶劣的条件下生存的。“有趣的是，我们了解了小而轻的昆虫-微小的蚂蚁或蝴蝶薄薄的翅膀是如何在热力学中起作用的，因为通常情况下它们对此并不擅长，由于它们微小的热容量，像昆虫这样的小动物能再几秒钟内达到极高的温度。”Yu解释到。
灰蝶科蝴蝶的热成像。图像的强度与热发射率成正比，即通过热辐射散热的能力。图像显示：翅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小绒毛来应对极端高温。这些绒毛有两个作用：可见光和红外波长的后向散射光，减少太阳能的吸收，提高发射率，所以当蚂蚁的身体被加热时，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的，”Yu说。他的最新研究继续探索小昆虫是如何保持凉爽的问题。蝴蝶的翅膀上覆盖着机械传感器来检测过热，它们的翅膀包含有助于散热的纳米结构。除了这些发现出的生物学意义外，Yu认为它们还可以作为耐热结构和热感测飞机设计的灵感。
热成像有助于揭示像这种山胡桃色的条纹蝴蝶是如何防止过热的。翼静脉直接的薄膜实际上比翅膀其他部分更热，但看起来温度更低，因为它是半透明的，背景比较冷。图片来源：Nanfang Yu 和 Cheng-Chia Tsai
Yu和他的同事Naomi E. Pierce（生物学教授），计划继续研究蝴蝶翅膀。Pierce是哈佛大学比较动物学博物馆鳞翅类昆虫馆馆长，可以接触到大量蝴蝶和飞蛾的收藏。目前他们正在使用热成像仪对这批藏品进行广泛的扫描，以希望了解有助于蝴蝶翅膀设计的因素。Yu将这项工作比作“解密一本复杂的书”，因为在蝴蝶翅膀的进化过程中受许多不用因素的影响。显然，这是一本值得仔细阅读的书，看看我们之后会不会有其他的发现。
了解更多关于FLIR在科研方面的高性能红外热像仪。
