蝴蝶的翅膀上覆盖着成千上万片微小的鳞片，就像薄如纸的屋顶上的微型瓦片。单个鳞片小如一粒灰尘，但结构却极为复杂，表面呈波纹状，有助于排走水分、控制热量并反射光线，使蝴蝶呈现出独特的光泽。
麻省理工学院的研究人员现在已经捕捉到了蝴蝶变态的最初瞬间，此时这种脊状图案开始在个体尺度上形成。研究人员使用先进的成像技术观察了蝴蝶在蛹内变态时翅膀发育的微观特征。
研究团队连续拍摄了从翅膀膜上长出的单个鳞片。这些图像首次揭示了鳞片最初光滑的表面如何开始起皱，形成微观平行波纹。波纹结构最终长成精细图案的脊状结构，这些脊状结构决定了成年鳞片的功能。
研究人员发现，平衡向波纹表面倾斜可能是“弯曲”的结果——这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 Kolle 表示：“屈曲是一种不稳定现象，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复杂功能结构的生长。”
该团队正在努力观察蝴蝶翅膀生长的更多阶段，希望为未来如何设计先进的功能材料提供线索。
“鉴于蝴蝶鳞片的多功能性，我们希望了解和模仿这些过程，以可持续的方式设计和制造新的功能材料。这些材料将表现出量身定制的光学、热学、化学和机械性能，可用于纺织品、建筑表面、车辆——事实上，任何需要表现出依赖于其微观和纳米级结构的特征的表面，”科勒补充道。
该团队今天在《细胞报告物理科学》杂志上发表了他们的研究成果。这项研究的合著者包括第一作者、前麻省理工学院博士后 Jan Totz、共同第一作者、博士后 、研究生 、前博士后 Kang、机械工程和生物医学工程教授 Peter So、数学教授 Jörn 和萨尔茨堡大学材料物理和化学教授 Bodo Wilts。
现场改造
2021 年，麦克杜格尔、科勒和他们的同事开发了一种方法，可以连续捕捉蝴蝶变态过程中翅膀生长的微观细节。他们的方法是小心地切开昆虫薄如纸的蛹，剥去一小块角质层，露出翅膀生长的膜。他们在暴露的区域上放置了一个小玻璃片，然后使用团队成员彼得·苏 (Peter Su) 开发的显微镜技术，连续捕捉鳞片从翅膜上生长出来的图像。
他们用这种方法观察了红蛱蝶（ ），一种俗称“彩绘女士”的蝴蝶。该团队之所以选择这种蝴蝶，是因为它的鳞片结构与大多数鳞翅目物种的鳞片结构相同。他们观察到，红蛱蝶的鳞片沿着翅膀膜以精确、重叠的图案生长，就像屋顶上的瓦片一样。这些图像为科学家提供了迄今为止在微观尺度上对活体蝴蝶翅膀生长的最连续的可视化图像。
在这项新研究中，研究小组采用了同样的方法，重点关注鳞片发育过程中的特定时间窗口，以捕捉活体蝴蝶鳞片上精细结构脊状物的初始形成。科学家们知道，这些脊状物沿着鳞片的长度彼此平行，就像灯芯绒上的条纹一样，它们使翅膀鳞片的许多功能得以实现。
由于对这些脊的形成方式知之甚少，麻省理工学院的研究小组旨在记录活着的、正在发育的蝴蝶中脊的连续形成情况，并揭示这种生物中脊的形成机制。
“我们观察了蝴蝶翅膀发育的 10 天，并对单个蝴蝶的鳞片表面变化进行了数千次测量，”麦克杜格尔说。“我们可以看到，蝴蝶的鳞片表面在早期非常平坦。随着蝴蝶的成长，其表面开始凸起，然后在发育到 41% 左右时，我们看到了这个非常规则、完全凸起的原叶。整个过程大约需要五个小时，为随后的脊纹图案的形成奠定了结构基础。”
固定的
是什么原因导致最初的脊线以精确的直线出现？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自身弯曲。例如，空的汽水罐在从上方挤压时会弯曲。如果材料在生长过程中受到约束或固定，它们也会弯曲。
科学家们注意到，随着蝴蝶鳞片细胞膜的生长，肌动蛋白束会有效地将其固定到位，肌动蛋白束是生长膜下方的长丝，在鳞片成形时充当支架。科学家们推测，肌动蛋白束限制了生长膜，类似于充气热气球周围的绳索。他们提出，随着蝴蝶翅膀鳞片的生长，它会以弯曲的图案在下方的肌动蛋白丝之间凸起，形成鳞片最初的平行脊。
为了验证这一想法，麻省理工学院的研究团队寻找了一种描述屈曲一般力学的理论模型。他们将图像数据整合到模型中，例如在不同早期发育阶段测量鳞片膜的高度，以及生长膜上肌动蛋白束的不同间距。然后，他们及时运行该模型，看看其机械屈曲的基本原理是否会产生与团队在实际蝴蝶中观察到的相同的脊线。
科勒说：“通过这个模型，我们展示了我们可以从平坦的表面变成更加起伏的表面。从力学角度来看，这表明膜的屈曲可能是导致这些令人惊讶的有序脊状结构形成的原因。”
“我们希望从大自然中学习，不仅要了解这些材料如何发挥作用，还要了解它们是如何形成的，”麦克杜格尔说。“例如，如果你想制作一个有皱纹的表面，这对各种应用都有用，这为你提供了两个非常简单的旋钮来调整这些表面的皱纹。你可以改变固定材料的间距，也可以改变固定部分之间生长的材料量。我们发现蝴蝶正在使用这两种策略。”
该研究得到了美国国家科学基金会、洪堡基金会和阿尔弗雷德·P·斯隆基金会的部分资助。
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