MIT研究人员开创了一种方法来观察和成像蝴蝶翅膀上鳞片的发育，揭示了鳞片的脊状结构是如何通过一种称为屈曲的过程形成的，这一发现为水垢形成的机械特性提供了见解，并提出了在设计光和热管理新材料方面的潜在应用。

蝴蝶翅鳞

   蝴蝶的翅膀上覆盖着数十万个微小的鳞片，就像薄如纸的屋顶上的微型瓦片。单个秤像一粒灰尘一样小，但却非常复杂，具有波纹状的脊表面，有助于吸走水分、管理热量和反射光线，使蝴蝶具有标志性的微光。 MIT研究人员现在已经捕捉到了蝴蝶蜕变的最初瞬间，当时单个鳞片开始形成这种脊状图案。研究人员使用先进的成像技术观察了蝴蝶在蛹中蜕变时翅膀发育的微观特征。

蛱蝶是分布最广泛的蝴蝶种类之一，除南极洲和南美洲外，各大洲都有分布。

发现脊状结构

   研究小组连续拍摄了单个鳞片从翅膀膜上长出的过程。这些图像首次揭示了鳞片最初光滑的表面如何开始起皱，形成微观的平行波纹。波纹状结构最终长成精细的脊状结构，这些脊状结构定义了成年鳞片的功能。

 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产生皱纹的一般机制。

   MIT机械工程副教授 Mathias Kolle 表示：“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复杂的功能性结构的生长。”

该系列展示了蛱蝶（Vanessa cardui）；其鳞片的光学显微照片；单个鳞片的电子显微照片；以及该鳞片上的脊线。比例尺为 200µm、20µm 和 2µm。

来自大自然的工程见解

   该团队正在努力可视化蝴蝶翅膀生长的更多阶段，希望能够揭示未来如何设计先进功能材料的线索。

“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。这些材料将表现出针对纺织品、建筑表面、车辆定制的光学、热学、化学和机械性能——实际上，对于通常需要表现出依赖于其微观和纳米级结构的特征的任何表面，”Kolle 补充道。

   研究团队在最近发表于《细胞报告物理科学》杂志的一项研究中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、联合第一作者、博士后 Anthony McDougal、研究生 Leonie Wagner、前博士后 Sungsam Kang、机械工程和生物医学工程教授 Peter So、数学教授 Jörn Dunkel 以及萨尔茨堡大学材料物理和化学教授 Bodo Wilts。

实时变形

   2021 年，麦克杜格尔、科尔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，露出翅膀正在生长的膜。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·索 (Peter So) 开发的显微镜技术连续捕捉鳞片从翅膀膜中长出的图像。

他们用这种方法观察了 Vanessa cardui，一种俗称“Painted Lady”的蝴蝶，研究小组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似。他们观察到，Painted Lady 的鳞片沿着翼膜生长，排列整齐，相互重叠，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鳞片生长的最连续可视化。

脊状突起的发育机制

   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，以捕捉活体蝴蝶中单个鳞片上精细结构的脊状突起的初始形成过程。科学家们知道，这些脊状突起沿着单个鳞片的长度彼此平行，就像灯芯绒上的条纹一样，它们实现了翼鳞的许多功能。

由于人们对这些脊状突起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体蝴蝶中脊状突起的连续形成过程，并破译该生物的脊状突起形成机制。

   “我们观察了蝴蝶翅膀在 10 天内的发育过程，并对一只蝴蝶的鳞片表面的变化进行了数千次测量，”麦克杜格尔说。“我们可以看到，蝴蝶的早期表面非常平坦。随着蝴蝶的成长，表面开始凸起一点，然后在发育到 41% 左右时，我们看到了这种非常规则的完全凸起的原脊状突起图案。整个过程持续约五个小时，为随后出现的图案化脊状突起奠定了结构基础。”

调查屈曲的原因

  是什么原因导致最初的脊线精确对齐地弹出？研究人员怀疑屈曲可能起了作用。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，一个空的汽水罐在从上往下挤压时会弯曲。如果材料受到限制或固定到位，材料在生长过程中也会弯曲。

科学家们注意到，随着蝴蝶鳞片细胞膜的生长，肌动蛋白束会将其有效地固定在特定位置。肌动蛋白束是生长膜下的长丝，在鳞片成形时起到支撑作用。科学家们推测，肌动蛋白束会限制生长膜，就像充气热气球周围的绳索一样。他们提出，随着蝴蝶翅膀鳞片的生长，它会在下面的肌动蛋白丝之间凸出，弯曲形成鳞片最初的平行脊。

结垢的理论建模

   为了验证这个想法，麻省理工学院的研究小组研究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，例如在发育的各个早期阶段测量鳞片膜的高度，以及生长膜上肌动蛋白束的各种间距。然后，他们随着时间的推移运行模型，以查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状图案。

“通过这种建模，我们展示了可以从平坦表面到起伏更大的表面，”Kolle 说道。“从力学角度来看，这表明膜的屈曲很可能是导致这些令人惊奇的有序脊状结构形成的因素。”

结论和对材料科学的启示

   “我们希望从大自然中学习，不仅是这些材料如何发挥作用，还有它们是如何形成的，”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容易调整的旋钮，以定制这些表面的皱纹方式。你可以改变材料固定位置的间距，也可以改变固定部分之间生长的材料量。我们看到蝴蝶正在使用这两种策略。”