麻省理工學院的研究人員開創了一種觀察和成像蝴蝶翅膀蛻變過程中鱗片發展的方法，揭示了鱗片的脊狀結構是如何透過一種稱為屈曲的過程形成的。這項發現有助於深入了解鱗片形成的機械特性，並為設計新型光熱管理材料提供了潛在的應用前景。

光學顯微照片顯示了一隻成年彩斑蝶翅膀上的鱗片。圖片來源：研究人員提供

蝴蝶的翅膀上覆蓋著數十萬片細小的鱗片，就像薄如紙的屋頂上的微型瓦片。單一鱗片就像一粒塵埃那麼小，但其複雜程度卻令人吃驚，鱗片表面有波紋狀的脊，有助於吸水、散熱和反射光線，使蝴蝶的翅膀閃閃發光。

現在，麻省理工學院的研究人員捕捉到了蝴蝶蛻變過程中的最初瞬間，即單一鱗片開始形成這種脊狀花紋。研究人員利用先進的成像技術觀察了蝴蝶在蛹中蛻變時翅膀上的微觀特徵。

彩斑蝶是分佈最廣的蝴蝶物種之一，除南極洲和南美洲外，它在各大洲都有棲息地。圖片來源：研究人員提供

研究團隊連續拍攝了單一鱗片從翅膜生長出來時的影像。這些影像首次揭示了鱗片最初光滑的表面如何開始起皺，形成微小的平行起伏。這些波紋狀結構最終長成了精細的紋脊，這些紋脊決定了成年鱗片的功能。

研究人員發現，鱗片向波紋表面的轉變很可能是”屈曲”的結果–“屈曲”是一種描述光滑表面在密閉空間內生長時如何起皺的一般機制。

麻省理工學院機械工程副教授馬蒂亞斯-科勒（Mathias Kolle）說：”屈曲是一種不穩定性，作為工程師，我們通常不希望發生這種情況。但在這種情況下，生物體利用屈曲來啟動這些錯綜複雜的功能性結構的生長。

該系列顯示了小紅蛺蝶（Vanessa cardui）、其鱗片的光學顯微照片、單個鱗片的電子顯微照片以及該鱗片上的脊。比例尺分別為200 微米、20 微米和2 微米。圖片來源：研究人員提供

大自然的工程啟示

研究小組正在努力對蝴蝶翅膀生長的更多階段進行視覺化，希望能為他們今後如何設計先進的功能材料提供線索。

“鑑於蝴蝶尺度的多功能性，我們希望了解並仿效這些過程，從而可持續地設計和製造新型功能材料。這些材料將表現出量身定制的光學、熱學、化學和機械特性，適用於紡織品、建築表面、車輛–實際上，適用於任何需要表現出取決於其微觀和奈米級結構特性的表面，」科勒補充道。

研究小組最近在《細胞報告物理科學》（Cell ReportsPhysical Science）雜誌上發表了他們的研究成果。研究的共同作者包括第一作者、麻省理工學院前博士後揚-托茨（Jan Totz），共同第一作者、博士後安東尼-麥克杜格爾（Anthony McDougal），研究生萊昂妮-瓦格納（Leonie Wagner），前博士後薑成三（Sungsam Kang），機械工程和生物醫學工程教授彼得-蘇（Peter So），數學教授約恩-鄧克爾（Jörn Dunkel），以及薩爾茨堡大學材料物理與化學教授博多-威爾茨（Bodo Wilts）。

2021 年，麥克杜格爾、科勒和他們的同事開發出一種方法，可以連續捕捉蝴蝶蛻變過程中翅膀生長的微觀細節。他們的方法是小心翼翼地切開昆蟲薄如紙的蛹，剝開一小塊角質層，露出翅膀生長的薄膜。他們將一個小玻璃片放在暴露的區域上，然後使用團隊成員彼得-蘇開發的顯微鏡技術，連續捕捉鱗片從翅膀膜中生長出來的圖像。

他們用這種方法觀察了小紅蛺蝶Vanessa cardui，研究小組之所以選擇這種蝴蝶，是因為它的鱗片結構是大多數鱗翅目昆蟲的共同特徵。他們觀察到，小紅蛺蝶的鱗片沿著翼膜精確地重疊生長，就像屋頂上的瓦片一樣。這些圖像為科學家提供了迄今為止在微觀尺度上最連續的活體蝴蝶翅鱗生長的可視化圖像。

紋脊的發育機制

在他們的新研究中，研究小組使用了同樣的方法來關注鱗片發育過程中的一個特定時間窗口，以捕捉活體蝴蝶單一鱗片上結構精細的脊的最初形成過程。科學家知道，這些沿著單片鱗片長度方向平行排列的脊，就像燈芯絨上的條紋一樣，使翼鱗的許多功能得以實現。

由於人們對這些脊是如何形成的知之甚少，麻省理工學院的研究小組旨在記錄一隻正在發育的活蝴蝶體內脊的連續形成過程，並破譯這種生物體的脊形成機制。

麥克杜格爾說：”我們觀察了蝴蝶翅膀10 天的發育過程，並對單隻蝴蝶的鱗片表面變化情況進行了數千次測量。我們可以看到，早期的鱗片表面非常平整。隨著蝴蝶的成長，鱗片表面開始一點點隆起，然後在大約41% 的發育過程中，我們看到了這種完全隆起的原始鱗片的非常規則的模式。化的脊奠定了結構基礎。

調查屈曲的原因

是什麼原因導致最初的山脊以精確的排列方式出現呢？研究人員懷疑可能是屈曲在起作用。屈曲是一種機械過程，材料在受到壓縮力時會向內彎曲。例如，一個空汽水罐從頂部向下擠壓時會發生彎曲。材料在生長過程中，如果受到約束或被固定，也會發生彎曲。

科學家注意到，當蝴蝶鱗片的細胞膜生長時，它在某些地方會被肌動蛋白束有效地固定住–肌動蛋白束是在生長的細胞膜下運行的長絲，在鱗片成形時起到支撐支架的作用。科學家推測，肌動蛋白束對生長膜的約束作用類似於熱氣球上的繩索。他們提出，隨著蝴蝶翼鱗的生長，翼鱗將在底層肌動蛋白絲之間隆起，以一種彎曲的方式形成鱗片最初的平行脊。

鱗片形成的理論模型

為了驗證這個想法，麻省理工學院的研究團隊研究了一個描述屈曲一般力學原理的理論模型。他們在模型中加入了影像數據，例如測量鱗片膜在不同發育早期階段的高度，以及橫跨生長膜的肌動蛋白束的不同間距。然後，他們將模型時間向前推移，以觀察其機械屈曲的基本原理是否會產生與研究小組在實際蝴蝶中觀察到的相同的脊狀圖案。

透過這種建模，研究人員發現我們可以從一個平坦的表面變成一個起伏更大的表面。從力學角度來看，這顯示膜的屈曲很有可能是形成這些驚人的有序脊的起因。

結論和對材料科學的影響

麥克杜格爾說：「我們想從大自然中學習，不僅要學習這些材料的功能，還要學習它們是如何形成的。比如說，如果想製造一個褶皺的表面，這對各種應用都很有用，那麼這就提供了兩個非常容易調整的’旋鈕’來定制這些表面的褶皺方式。兩種策略。

編譯自/ ScitechDaily