针对蝴蝶翅膀的结构研究可能是启发革命性新材料的关键

光学显微照片显示了一只成年彩斑蝶翅膀上的鳞片。图片来源：研究人员提供

蝴蝶的翅膀上覆盖着数十万片细小的鳞片，就像薄如纸的屋顶上的微型瓦片。单个鳞片就像一粒尘埃那么小，但其复杂程度却令人吃惊，鳞片表面有波纹状的脊，有助于吸水、散热和反射光线，使蝴蝶的翅膀闪闪发光。

现在，麻省理工学院的研究人员捕捉到了蝴蝶蜕变过程中的最初瞬间，即单个鳞片开始形成这种脊状花纹。研究人员利用先进的成像技术观察了蝴蝶在蛹中蜕变时翅膀上的微观特征。

彩斑蝶是分布最广的蝴蝶物种之一，除南极洲和南美洲外，它在各大洲都有栖息地。图片来源：研究人员提供

研究小组连续拍摄了单个鳞片从翅膜生长出来时的图像。这些图像首次揭示了鳞片最初光滑的表面如何开始起皱，形成微小的平行起伏。这些波纹状结构最终长成了精细的纹脊，这些纹脊决定了成年鳞片的功能。

研究人员发现，鳞片向波纹表面的转变很可能是"屈曲"的结果--"屈曲"是一种描述光滑表面在密闭空间内生长时如何起皱的一般机制。

麻省理工学院机械工程副教授马蒂亚斯-科勒（Mathias Kolle）说："屈曲是一种不稳定性，作为工程师，我们通常不希望发生这种情况。但在这种情况下，生物体利用屈曲来启动这些错综复杂的功能性结构的生长。"

该系列显示了小红蛱蝶（Vanessa cardui）、其鳞片的光学显微照片、单个鳞片的电子显微照片以及该鳞片上的脊。比例尺分别为 200 微米、20 微米和 2 微米。图片来源：研究人员提供

大自然的工程启示

研究小组正在努力对蝴蝶翅膀生长的更多阶段进行可视化，希望能为他们今后如何设计先进的功能材料提供线索。

"鉴于蝴蝶尺度的多功能性，我们希望了解并仿效这些过程，从而可持续地设计和制造新型功能材料。这些材料将表现出量身定制的光学、热学、化学和机械特性，适用于纺织品、建筑表面、车辆--实际上，适用于任何需要表现出取决于其微观和纳米级结构特性的表面，"科勒补充道。

研究小组最近在《细胞报告物理科学》（Cell ReportsPhysical Science）杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、麻省理工学院前博士后扬-托茨（Jan Totz），共同第一作者、博士后安东尼-麦克杜格尔（Anthony McDougal），研究生莱昂妮-瓦格纳（Leonie Wagner），前博士后姜成三（Sungsam Kang），机械工程和生物医学工程教授彼得-苏（Peter So），数学教授约恩-邓克尔（Jörn Dunkel），以及萨尔茨堡大学材料物理与化学教授博多-威尔茨（Bodo Wilts）。

2021 年，麦克杜格尔、科勒和他们的同事开发出一种方法，可以连续捕捉蝴蝶蜕变过程中翅膀生长的微观细节。他们的方法是小心翼翼地切开昆虫薄如纸的蛹，剥开一小块角质层，露出翅膀生长的薄膜。他们将一个小玻璃片放在暴露的区域上，然后使用团队成员彼得-苏开发的显微镜技术，连续捕捉鳞片从翅膀膜中生长出来的图像。

他们用这种方法观察了小红蛱蝶 Vanessa cardui，研究小组之所以选择这种蝴蝶，是因为它的鳞片结构是大多数鳞翅目昆虫的共同特征。他们观察到，小红蛱蝶的鳞片沿着翼膜精确地重叠生长，就像屋顶上的瓦片一样。这些图像为科学家们提供了迄今为止在微观尺度上最连续的活体蝴蝶翅鳞生长的可视化图像。

纹脊的发育机制

在他们的新研究中，研究小组使用了同样的方法来关注鳞片发育过程中的一个特定时间窗口，以捕捉活体蝴蝶单个鳞片上结构精细的脊的最初形成过程。科学家们知道，这些沿着单片鳞片长度方向平行排列的脊，就像灯芯绒上的条纹一样，使翼鳞的许多功能得以实现。

由于人们对这些脊是如何形成的知之甚少，麻省理工学院的研究小组旨在记录一只正在发育的活蝴蝶体内脊的连续形成过程，并破译这种生物体的脊形成机制。

麦克杜格尔说："我们观察了蝴蝶翅膀 10 天的发育过程，并对单只蝴蝶的鳞片表面变化情况进行了数千次测量。我们可以看到，早期的鳞片表面非常平整。随着蝴蝶的成长，鳞片表面开始一点点隆起，然后在大约 41% 的发育过程中，我们看到了这种完全隆起的原鳞片的非常规则的模式。整个过程持续了大约 5 个小时，为随后表现出图案化的脊奠定了结构基础。"

调查屈曲的原因

是什么原因导致最初的山脊以精确的排列方式出现呢？研究人员怀疑可能是屈曲在起作用。屈曲是一种机械过程，材料在受到压缩力时会向内弯曲。例如，一个空汽水罐从顶部向下挤压时会发生弯曲。材料在生长过程中，如果受到约束或被固定，也会发生弯曲。

科学家们注意到，当蝴蝶鳞片的细胞膜生长时，它在某些地方会被肌动蛋白束有效地固定住--肌动蛋白束是在生长的细胞膜下运行的长丝，在鳞片成形时起到支撑支架的作用。科学家们推测，肌动蛋白束对生长膜的约束作用类似于热气球上的绳索。他们提出，随着蝴蝶翼鳞的生长，翼鳞将在底层肌动蛋白丝之间隆起，以一种弯曲的方式形成鳞片最初的平行脊。

鳞片形成的理论模型

为了验证这一想法，麻省理工学院的研究小组研究了一个描述屈曲一般力学原理的理论模型。他们在模型中加入了图像数据，如测量鳞片膜在不同发育早期阶段的高度，以及横跨生长膜的肌动蛋白束的不同间距。然后，他们将模型时间向前推移，以观察其机械屈曲的基本原理是否会产生与研究小组在实际蝴蝶中观察到的相同的脊状图案。

通过这种建模，研究人员发现我们可以从一个平坦的表面变成一个起伏更大的表面。从力学角度来看，这表明膜的屈曲很有可能是形成这些惊人的有序脊的起因。

结论和对材料科学的影响

麦克杜格尔说："我们想从大自然中学习，不仅要学习这些材料的功能，还要学习它们是如何形成的。比如说，如果想制造一个褶皱的表面，这对各种应用都很有用，那么这就提供了两个非常容易调整的'旋钮'来定制这些表面的褶皱方式。可以改变固定材料的间距，也可以改变固定部分之间材料的生长量，我们发现蝴蝶同时使用了这两种策略。"

编译自/ScitechDaily