后院昆虫激发隐形设备，下一代技术

宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究表明，叶蝉是一种常见的后院昆虫，它会分泌并包裹自己微小的神秘颗粒，这些颗粒可以为下一代技术提供灵感和指导

在第一次研究中，该团队精确地复制了这些被称为支气管体的颗粒的复杂几何形状，并阐明了对它们如何吸收可见光和紫外线的更好理解

机械工程和生物医学工程教授Tak Sing Wong表示，这可以开发生物启发光学材料，其可能应用范围从隐形隐形隐形装置到涂层，以更有效地获取太阳能。Wong领导了这项研究，该研究发表在《美国国家科学院院刊》上

这种独特的微小颗粒具有不同寻常的足球状几何形状，带有空腔，自20世纪50年代以来，它们对昆虫的确切用途一直是科学家们的谜。2017年，Wong领导了宾夕法尼亚州立大学的研究团队，该团队率先创建了一种基本的合成版本的雨披，以更好地了解它们的功能

“这一发现可能对技术创新非常有用，”该研究的主要作者、机械工程博士后学者林旺说。“有了一种调节表面光反射的新策略，我们可能能够隐藏人类或机器的热特征。也许有一天，人们可以根据叶蝉使用的技巧开发出一种热隐形斗篷。我们的工作表明，了解自然可以帮助我们开发现代技术。”

王接着解释说，尽管科学家们已经知道雨披颗粒四分之三个世纪了，但由于颗粒几何形状的复杂性，在实验室中制造它们一直是一个挑战

王说：“目前还不清楚为什么叶蝉会产生结构如此复杂的粒子。我们在实验室里用高科技的3D打印方法制作了这些雨披。我们发现这些实验室制造的粒子可以将光反射减少94%。这是一个大发现，因为这是我们第一次看到大自然用中空粒子以如此特殊的方式控制光。”。然而，该研究的通讯作者、机械工程和生物医学工程教授Tak Sing Wong表示，对它们的几何形状有了新的了解，就很有可能它的主要用途可能是躲避捕食者的斗篷

研究人员发现，使其看起来像足球一样中空的雨披上的洞的大小极其重要。无论昆虫的身体大小，不同种类的叶蝉的大小都是一致的。支气管镜直径约为600纳米，约为单个细菌的一半大小，支气管镜孔约为200纳米

“这让我们提出了一个问题，”Wong说。“为什么会有这种一致性？拥有约600纳米、孔约200纳米的雨披有什么秘密？这有一定的用途吗？”

研究人员发现，雨披的独特设计有双重用途——吸收紫外线，降低鸟类和爬行动物等具有紫外线视觉的捕食者的能见度，并散射可见光，形成一个防反射屏障，抵御潜在威胁。这些孔的大小非常适合吸收紫外线频率下的光

研究人员表示，这可能会为人类使用合成雨披带来各种应用，如更高效的太阳能收集系统、保护药物免受光致损伤的涂层、更好地保护皮肤免受阳光伤害的先进防晒霜，甚至隐形设备。为了测试这一点，该团队首先必须制造合成雨披，这本身就是一个重大挑战

在2017年的研究中，研究人员使用合成材料模拟了雨披的一些特征，特别是酒窝及其分布。这使他们开始了解光学性质。然而，他们只能制作出看起来像雨披的东西，而不是完全的复制品

“这是我们第一次能够制作出天然支气管结构的精确几何形状，”Wong说，并解释说，研究人员能够通过使用先进的3D打印技术创建支气管结构的缩放合成复制品

他们打印了一个放大版，尺寸为20000纳米，大约是人头发直径的五分之一。研究人员使用3D打印精确地复制了形状和形态，以及孔隙的数量和位置，以生产出仍然很小的人造雨披，这些雨披足够大，可以进行光学表征

他们使用微傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪来检查支气管体如何与不同波长的红外光相互作用，帮助研究人员了解这些结构是如何操纵光的

接下来，研究人员表示，他们计划改进合成支气管镜的制造，使生产规模更接近天然支气管镜的大小。他们还将探索合成支气管镜的其他应用，如信息加密，其中类似支气管镜的结构可以用作加密系统的一部分，其中数据仅在特定波长下可见

王指出，他们的胸针研究证明了仿生研究方法的价值，科学家们从大自然中寻找灵感

“大自然是一个好茶