蛾翅膀上的鱗片構成天然聲學超穎材料
已更新：7月24日
蝙蝠與飛蛾之間的追逐，發生在我們聽不見的超音波世界。夜行性蝙蝠會發出高頻音波，依靠回聲判斷獵物的位置、大小與飛行方向。許多飛蛾因此演化出能夠感受超音波的聽覺器官，在蝙蝠接近時急轉、俯衝或停止飛行；有些種類還會發出超音波脈衝，干擾蝙蝠的判斷。如果是沒有超音波聽覺的蛾類，必須依賴其他防禦方式，比如降低自身反射回去的聲音，便能成為另一條生存的途徑。
蛾屬於鱗翅目（Lepidoptera）昆蟲，身體覆蓋著厚而蓬鬆的鱗片層，可以像多孔吸音材料一樣削弱蝙蝠的超音波，而飛蛾翅膀上的鱗片只有極薄的一層，通常不到 0.3 公釐。這層微小結構除了參與保溫、防沾黏與視覺偽裝，在某些蛾類還可能承擔另一項任務，把蝙蝠用來搜尋獵物的超音波吸收掉。
研究者比較了兩種缺乏超音波聽覺的蛾類，姬透目天蠶蛾（Antheraea pernyi）與非洲大指角蛾（Dactyloceras lucina），並以兩種日行性蝴蝶翠斑青鳳蝶（Graphium agamemnon）和金斑蝶（Danaus chrysippus）作為對照。他們從前翅前緣與後緣截下直徑 6 公釐的圓形翅膀樣本，分別測量保留鱗片與移除鱗片後的回聲強度。聲波垂直射向翅面，模擬翅面最容易形成強回聲的角度，再比較反射聲能的變化。
在許多蝙蝠用來偵測飛行昆蟲的 20 至 60 千赫範圍內，兩種飛蛾的鱗片都明顯降低了回聲。依物種與翅膀區域不同，平均強度下降約 3 至 5 分貝；最強的單一結果出現在非洲大指角蛾的翅膀樣本，下降 5.5 分貝，相當於吸收約 72% 的入射聲能。研究者另外測量聲音穿透翅膀與向其他方向散射的比例，發現兩者都很小，因此回聲減弱主要來自真正的聲能吸收。相較之下，兩種蝴蝶的鱗片沒有產生類似效果，部分情況甚至讓回聲略為增強。
有趣的是蛾的鱗片層薄得遠低於所吸收聲波的波長，以 20 千赫的聲音為例，波長約 17 公釐，遠厚於不到 0.3 公釐的翅膀鱗片層。翅膀能在極薄、極輕的條件下吸收蝙蝠的超音波令人印象深刻。
蛾翅膀上的鱗片可分為較短的基底鱗片與覆蓋其上的較長覆鱗，兩者在長度、寬度、形狀、柄部硬度及插入翅膜的角度上都有差異。當特定頻率的聲波抵達時，鱗片會產生彎曲、左右擺動或扭轉等共振。共振能把空氣中的聲能導入鱗片，再透過材料本身的阻尼逐漸耗散。
單一共振器通常只能吸收狹窄的頻率範圍，蛾的翅膀卻集合了大量形態不同、共振頻率各異的鱗片。使用掃描式雷射都卜勒振動儀（scanning laser Doppler vibrometer）測量鱗片層，發現兩種蛾的共振峰均勻分布在 20 至 160 千赫之間。基底鱗片與覆鱗都能以多種方式振動，其中許多共振頻率是落在蝙蝠聲納使用的超音波範圍內。不同鱗片的共振頻率互相補充，使翅膀能吸收較廣泛的超音波。雖然蝴蝶鱗片同樣會共振，但鱗片的形狀較一致，共振只集中在少數頻率。
為了驗證不同鱗片在共同翅膜上彼此連動後能否產生比單片鱗片各自作用更寬、更強的吸音效果，研究者建立了一個由 16 片鱗片組成的數值模型。若 16 片鱗片有相同性質，整個陣列只會在單一頻率附近形成吸收峰。當鱗片被調整為 30 至 45 千赫、每隔 1 千赫有不同共振頻率時，吸收頻帶明顯變寬，峰值與總吸收量也高於任何一種均一陣列。由於所有鱗片都插在同一片柔性翅膜上，相鄰鱗片的振動會互相影響，整個系統產生的吸音效果，超過各鱗片獨立作用的簡單相加。
這正是聲學超穎材料（acoustic metamaterial）的核心概念，材料的特殊物理性質，來自許多小於作用波長的結構單元及其排列方式。蛾翅膀上的每片鱗片就像一個微型共振單元，共用的翅膜把它們耦合成完整陣列。這項研究提供了工程設計的新方向。現代聲學超穎材料常需依靠複雜幾何、重複共振器與額外阻尼層才能在有限厚度內降低聲音。蛾的翅膀顯示形態多樣的超薄共振片、柔性基底、適度阻尼與非均一排列可以在極小厚度下產生寬頻吸收。未來若能進一步理解不同蛾鱗片之間的耦合方式與排列規律，便可能設計出更薄、更輕的吸音面板，應用於降噪設備、交通工具與其他受到空間和重量限制的裝置。
作者：水也佑
參考文獻：
Neil TR et al. (2020). Moth wings are acoustic metamaterials. PNAS.
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