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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流文献综述1.精品文档.蝴蝶鳞片的变色隐身特征与功能前言吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室自上个世纪 80 年代开始就对典型土壤动物体表非光滑形态及功能进行了系统的研究，率先提出了生物非光滑概念，初步建立了仿生非光滑基础理论1-3。这些年课题组致力于生物体表非光滑的研究，发现生物具有的很多优越性能并不是由单一因素决定的，而是由多个影响因素按照某种联系方式耦合作用的结果，并且任院士提出了耦合仿生的概念。很早以前人们就注意到一些生物的微观结构和生物色之间的本质关系，科学家们很早就对自然光的干涉、衍射等光学现象产生了浓厚的兴趣。近些年来，关于色
2、彩方面的研究已经同物理学、化学、生物学、材料科学、工程学等领域密切的联系到了一起。实验室人员经过多年的观察、研究发现有些蝴蝶能够巧妙地利用其鳞片微观结构与光线的相互作用，使其产生亮丽炫目的色彩，从而在一定程度上帮助其逃脱被捕食的命运4，5。这无疑在隐身方法上给我们提供了一条崭新的研究思路。为此，本实验室韩志武教授，丛茜教授及其学生邱兆美等展开了一系列的关于蝴蝶结构色探索性的研究工作，即在总结、借鉴前人工作的基础上，从仿生学角度，对蝴蝶结构色进行了有效地验证，测试了结构色鳞片的反射光学性能，研究了其结构色的产生机理，测定了结构色鳞片微结构的特征参数，建立鳞片的结构模型，初步优化设计仿蝴蝶鳞片的隐
3、身光学表面结构，为仿生物表面耦合结构隐身效应研究和视频仿生隐身材料设计与制备提供基础数据和理论模型，具有广阔的应用前景和实际应用价值。1.1 蝴蝶翅颜色的来源6蝴蝶属于昆虫纲鳞翅目, 故蝴蝶的翅是鳞翅。所谓“ 鳞翅” 即膜质翅上覆盖有很多鳞片。此外, 在蝴蝶的头部、胸部、腹部和翅基部等处还丛生有介于鳞片和毛之间的鳞毛。蝴蝶的鳞片是由一个特化的真皮细胞延伸并穿过表皮扩展而成的。每个鳞片的形状就象一个表面有许多纵条纹的扁囊, 基部突出呈小柄。镶嵌在翅上均匀排列的鳞片囊中。有些种类的雄蝶, 在翅的某些特定区域还分布有香鳞。香鳞是种基部与香腺相连的特化鳞片, 顶端常有细毛, 能散发出气味, 用以引诱雌
4、蝶前来交配。鳞片所产生的色彩可以分为三类： 化学色：也称色素色, 它的颜色显现决定于光的长和色素的化学成份。每种色素都能吸收一定波长光, 而把未吸收的光反射出来这样。 结构色：也称物理色，它的产生与鳞片表面的纵条纹有关，这些纵条纹在鳞片表面火突出成脊，或凹陷成沟，当蝴蝶的翅受到来自不同角度的光源的照射时，光线在鳞片表面发生折射或反射等物理作用，而使翅表面随着被视角度的变化而呈现不同的颜色。 混合色：也称化学物理色，即在有色素存在的鳞片上，随物理结构的变化而产生不同颜色，大多数蝴蝶翅的颜色都是由化学和物理色混合而成的。1.2 生物表面仿生研究拓展视频隐身仿生研究1.2.1 隐身技术的含义 隐身7
5、是个通用的术语，是控制目标的可观测性或控制目标特征信号的技巧和技术的结合。隐身是通过增加敌人探测、跟踪、制导、控制和预测平台或武器在空间位置的难度，大幅度降低敌人获取信息的准确性和完整性，降低敌人成功地运用各种武器进行作战的机会和能力，以达到提高己方生存能力而采取的各种措施。简言之，隐身（Stealth）技术是指通过吸收雷达波或将其反射到意想不到的方向的方式使敌军探测不到已方武器位置的尖端技术。1.2.2 实现隐身技术的途径 8 雷达隐身：目前，最受重视且发展较快的隐身技术是雷达隐身技术。武器的雷达截面与其外形、材料、雷达波入射角等因素有关。 红外隐身：红外辐射来源于飞机、导弹、战车、军舰的自
6、身辐射和对环境辐射的反射，主要辐射源有发动机，发动机尾喷管排出的气体，蒙皮的气动加热和其他受热部件；兵器对阳光、月光、人造光、大气辐射、地球辐射所产生的反射。 声隐身：声隐身就是控制目标的声频信号特征，降低对方声探测系统的探测概率。 抑制武器的电磁辐射：尽量减少兵器上电子设备的电磁辐射、减少电磁信号被截获的机会，有助于提高生存能力。 其它隐身技术：水雾隐身技术；微波传播指示技术；烟幕伪装。1.2.3 光色的隐身研究 科学技术的不断发展使得各种反探测技术、隐身材料层出不穷。隐身技术是利用光学原理、电磁原理，使自己在敌人的视觉、光学侦察器材和红外侦察器材前不可见，或与环境融合而不可辨。 静态隐身技
7、术：这种隐身技术是指通过物理或化学的方法，应用光学和色学原理，使物体表面颜色与环境颜色融合，达到隐身效果。 动态隐身技术：也可以叫做可变色隐身技术，物体在动态运动过程中，为达到视觉隐身效果，颜色要随环境变化而变化。1.2.4 可见光光谱调控致变色材料 可见光光谱隐身技术是一种对付高技术侦察和武器打击系统的目标伪装防护技术，是一种通过结构、材料等手段使目标表面颜色能随着背景颜色的不同而变色，并与所处背景混成一体的“变色术”。目前国内外对变色术的研究主要是利用光致变色、电致变色、温度变色和湿度变色等材料变色研究，“变色术”的关键是变色材料。正在发展的变色材料有光致变色涂料、热致变色或电致变色涂料、
8、变色纤维或用变色染料印染而成的变色织物等。 通常，在外界条件作用下，能连续可逆的使太阳能的电磁辐射发生改变的材料，称之为致变色材料(Chromogenic Materials)9。它可分为光致变色、热致变色、电致变色、气致变色、光电致变色以及液晶基等。1.2.5 生物色隐身特性 生物色10,11指生物的体色，生物体色往往具有通讯、隐蔽等功能，它生物适应环境的产物或者方式之一。生物界普遍存在的隐蔽色、眼斑、警戒色和变色等生物色现象，对生物的生存和繁衍具有重要的意义。此外，蝴蝶翅面颜色还有吸收热量的性能。和许多昆虫一样，蝴蝶是冷血动物，当它们的体温过低的时候，黑色的翅膀可以更好的吸收太阳的热能，来
9、补充自身能量9。二 蝴蝶鳞片的微观耦合结构与优化模型2.1 蝴蝶的分类蝴蝶隶属于昆虫纲中仅次于鞘翅目的第二大目鳞翅目，最早出现在2500 万年前12，全世界约有 2 万多种，我国有 1300 多种13。主要靠取食植物成长，极少数靠捕食蚜虫等，其与植物是共存共荣、同步进化的。迄今为止，蝴蝶已经分化成许多支派，一般分为 4 总科，凤蝶总科，蛱蝶总科，灰碟总科和弄碟总科。又将中国的蝴蝶分为 12 科12，即凤蝶（Papilionidae）、绢蝶科（Parnassiidae）、粉蝶科（Pieridae）、斑蝶科（Danaidae）、环蝶科（Amathusiidae）、眼蝶科（Satyridae）、蛱蝶
10、科（Nymphalidae）、珍蝶科（Acraeidae）、喙蝶科（Libytheidae）、蚬蝶科（Riodinidae）、灰蝶科（Lycaenidae）、弄蝶科（Hesperiidae）。2.2 蝴蝶鳞片的形态和颜色蝴蝶的颜色，都体现在鳞片上，刷去鳞毛时，身体和翅面几乎都是无色的。蝴蝶鳞片是由毛扩张变成的，有多种形状，通常扁平开阔，也有细长或三角形的，并且每个鳞片的端部都有 2-3 个锯齿形状。每一鳞片基部突出呈小柄，镶嵌在翅膜的基环即鳞片囊或鳞片槽(scale socket)内，排列均匀，很像鱼鳞。每个鳞片都有内外表面之分，靠近翅面的为内表面，远离翅面的则为外表面。2.3 蝴蝶鳞片的微观
11、结构及耦合结构分析7蝴蝶的颜色与温度、湿度、光等生存环境因素及其性别有关。实验室选择的是夏季的雌性蝴蝶，主要以采自中国吉林省山区的绿带翠凤蝶、柳紫闪蛱蝶及购买的巴西蓝闪蝶、翠叶凤蝶和紫斑环蝶 5 种具有鲜艳颜色的典型蝴蝶为研究对象，用体视显微镜（OLYMPUS SZX12）观察蝴蝶的整体形貌、翅面鳞片的颜色及其分布，并局部放大观察具有鲜亮颜色或闪光的鳞片的色泽、尺寸、分布等几何特征。扫描电镜(JEOL JXA-840型SEM)局部放大观察这 5 种典型蝴蝶鳞片的表面形态，进一步了解蝴蝶鳞片的结构特征。最后将蝴蝶鳞片样本经戊二醛浸泡固定后，在LKB-型超薄切片机上沿鳞片的横向进行超薄切片，再在透
12、射电镜(JEM-12000EX型TEM)下观察蝴蝶翅面鳞片的横截面图。通过实验分析可知，这五种蝴蝶鳞片的表面不仅是非光滑的，而且是多元耦合的。这些微观耦合结构具有的特点为：蝴蝶鳞片的微观非光滑形态都是二元耦合结构；耦元多样化；耦联方式多样化；耦元参数多样化。2.4 蝴蝶鳞片结构的三维优化模型蝴蝶鳞片结构色是表面形态、微观结构和中间介质耦合形成。耦元一表面形态又可以分成平行脊纹形、凹坑形和栅格形三个参量，而耦元二微观结构可以细分成塔状和层状，耦元三中间介质可以细分成几丁质层和空气介质层。选取不同参量定义耦元，耦合出的三维结构不同，这为仿蝴蝶鳞片耦合结构仿生设计提供了理论支持和参考。结合蝴蝶鳞片的
13、 SEM 和 TEM 结构图片分析，在鳞片的形状、尺寸、微观结构的分类分析基础上，运用 UG 三维绘图软件，构建典型鳞片微观结构三维可视化模型。2.4.1 鳞片表面形态结构模型 7蝴蝶鳞片表面的非光滑形态复杂而又有规律,根据鳞片的扫描电镜形态与对应颜色分析，发现结构色鳞片主要有凹坑形和棱纹形两种表面形态，而色素色鳞片多呈现圆孔或方孔网格形表面形态。由此可以构建3种仿蝴蝶非光滑表面形态模型18：平行脊纹形，凹坑形和栅格形。2.4.2 鳞片横截面结构模型 14蝴蝶鳞片不但表面具有非光滑形态，TEM实验发现鳞片的横截面结构也具有非光滑结构，大体可以分成多层膜结构和非层状结构2大类。从加工角度和仿生设
14、计角度出发，采用均一化设计方法，设计了2种双介质平行分布的多层膜结构模型。模型是层状多层膜结构 ，是连续平行多层膜结构；模型是塔状多层膜结构，是周期性的间断的平行多层膜结构。三 蝴蝶鳞片结构色光学试验研究 蝴蝶鳞片的颜色是鳞片的微观结构或色素颗粒对光的作用的结果，通过分析入射波长、入射角等因素对蝴蝶结构色的影响规律，研究和探索蝴蝶鳞片结构的光学性能，分析几种鳞片微结构模型对可见光的反射率的影响规律。3.1 鳞片光学变色现象对比分析7蝴蝶翅面表层彩色鳞片的颜色主要来自于结构色，这类鳞片颜色是结构光学效应的结果，颜色的形成是鳞片表面形态、微观结构材料的结构光学特性耦合作用的结果，试验从鳞片的结构材
15、料的光学性能及折射率和入射角度出发，通过改变填充介质的折射率和旋转鳞片改变光的入射角度来研究结构色鳞片在可见光范围内的变色现象。通过变色试验可以得出蝴蝶鳞片的几个特点： 颜色层次多样化，蝴蝶翅面彩色主要来自于表层鳞片颜色，有的蝴蝶鳞片是单层的，有的蝴蝶鳞片是双层的，如绿带翠凤蝶表层鳞片是蓝色或绿色，底层鳞片颜色是黑色。 颜色类型多样化，蝴蝶翅面鳞片颜色有的单色均匀分布，有的几种颜色有序分布，形成色斑、花纹，主要是蓝色、绿色、白色、黑色、黄色、紫色等主色调。 变色方式多样化，根据蝴蝶鳞片颜色来源不同，其颜色的变化现象不同可分成三种：填充介质变色，将与空气折射率不同的介质酒精溶液填充到鳞片结构缝隙
16、中，改变鳞片结构的光学着色条件，引起颜色变化；角度变化变色，某些蝴蝶鳞片颜色会随光线入射角度或观察角度变化而变化；不变色情况，某些蝴蝶翅面鳞片无论改变介质折射率还是改变角度鳞片颜色都没有明显变化，是色素色着色。 3.2 光学试验结果与分析15试验样品均保持展翅状态时鳞片在翅膀上的生长方向固定测量，避免角度变化对反射性能的影响。选择多次测量中最稳定的试验曲线作为试验结果。蝴蝶鳞片结构复杂多样，结构反射颜色也多变，因此，将试验结果根据反射能力强弱进行分类说明，试验结果分析中设定反射率百分比值 R=50%为基准，R50%表明表面反射能力强，R70%表明表面具有高反射性能，反之，表明表面吸收能力强，R
17、 值越小，吸收能力越强。由 5 种蝴蝶 3 种颜色鳞片（蓝色、绿色和紫色）对可见光的反射率及光谱扫描曲线可知，蝴蝶鳞片结构决定其变色过程是蓝鳞-绿鳞，绿鳞-红鳞的变色还原过程。不同蝴蝶鳞片对光线的反射性能不同；不同颜色鳞片的反射性能不同，蓝色鳞片的反射性能明显高于其他颜色鳞片，可达 70%以上，具有较高的反射率；相同蝴蝶类型不同颜色蝴蝶鳞片反射率不同，如绿带翠凤蝶鳞片，蓝鳞的反射率高，而绿鳞的反射率很低，低于 25%，具有较高的吸收性能。；相同鳞片颜色的不同蝴蝶种类的反射性能也不同。蝴蝶鳞片的反射能力具有一定的规律性，且反射能力与蝴蝶类型和鳞片颜色相关。有高反射性鳞片（绿带翠凤蝶蓝色鳞片和巴西
18、蓝闪蝶）和高吸收性鳞片（绿带翠凤蝶绿色鳞片和柳紫闪蛱蝶的亮紫色闪光鳞片）。四 蝴蝶鳞片结构色光学机理分析7分别从薄膜干涉理论和三色光成色理论研究结构色着色机理，通过理论计算分析单色干涉色和复合色干涉色，考虑薄层厚度、填充介质和角度等参数变化，发现蝴蝶鳞片是结构色着色，是由鳞片的表面形态、微观结构、材料性质和光源四元素耦合的结果。蝴蝶鳞片具有的凹坑形和平行脉纹形表面形态与横截面的多层反射薄膜结构使入射光线发生多层膜干涉现象，几丁质薄片层和空气介质层都反射光线，反射光线发生干涉，在鳞片表面形成颜色。鳞片颜色还受介质折射率、膜层厚度、入射角度的影响，当改变填充介质（空气层）的折射率或入射光线的入射角
19、度时，改变了鳞片的干涉条件，引起变色。五 多层薄膜耦合结构仿生设计7蝴蝶表面具有明亮的结构色，且蝴蝶的这种结构色可以随光线的入射角度、填充介质的折射率、薄膜的厚度不同而变色。将这一结构光学变色现象应用到物体表面，可以使物体颜色随环境色变化而变化，达到视频隐身。蝴蝶鳞片结构色主要是多层膜耦合结构干涉产生的颜色，是表面形态x1、截面结构x2、介质折射率x3等多因素耦合作用的结果。从加工角度考虑，将仿蝴蝶鳞片耦合结构设计为：根据耦合关系式Y=f（x1，x2，x3），设定Y为结构色，x1为棱纹形，x2为塔状结构，x3为 1.56。5. 1 单色膜结构设计7根据结构色成色机理分析结果，设计具有高吸收或高
20、反射性能的多层薄膜结构。一个设计单元由三组独立的多层膜结构组成，每个塔状多层膜结构都是由薄片层 A 和空气层 B 按照 ABAB 模式交替分布，有 9 层薄膜，结构一等于结构二时，是高反射模型，反之是高吸收模型。当多层反射膜结构的表面形态、横截面结构和入射角度固定时，光的干涉产生的颜色主要由薄片层的加工厚度决定。高反射结构取结构色为蓝色，波长在 420-470nm，1 组多层膜和 2 组多层膜结构尺寸相同，根据薄膜干涉条件，即膜层的光学厚度是波长的 1/4 ，所以取薄片层厚 1 约为 100nm，空气介质层厚度约为 79nm。对于高吸收结构取结构色为绿色，即 1 组结构反射蓝色，2 组结构反射
21、黄色，根据相干条件，膜层厚度均为 100nm，则介质层厚度分别取 79nm 和 134nm。5. 2 变色膜结构设计7基于单色膜设计基础上，通过改变入射角度和分布状态两种方式实现变色的模型设计。按照三原色成色原理，设计了 M 型可调角度变色结构和模块变色结构，为视频仿生隐身材料设计提出了参考模型。 变角度设计 将多层反射结构设计成百叶窗分布形态，即M 型可调互动模式。宏观变角度变色，当将“M”形拉伸成“一”字形时，使其如上述单色结构模型，表面呈现一种结构色，随观察角度变化实现变色；微观结构变角度变色，当结构调成 M 型时，由于相同结构具有不同的光线入射角度，从而具有不同的干涉色。又由于结构组合
22、是百叶窗设计，M 型和一字形可以变换，因此，这种仿生结构设计的结构色是可调节的变色设计。 多模块设计 根据多层膜干涉理论及三原色原理，可以通过将不同颜色的多层膜结构单按照一定方式相组合，形成新的颜色。 根据仿生耦合理论，设单色多层膜结构的空间分布为耦元一，具有不同颜色的单色结构为耦元二，按照三原色成色原理将两者耦联，可以获得某种复合色。六 蝴蝶翅面鳞片光子晶体结构7近年来，科学家们发现蝴蝶身上的彩虹色有的来自于一种称为光子晶体的微结构。光子晶体具有周期性的空穴或凸隆阵列，这种有一定尺寸的阵列，在晶体本身完全是无色的情况下，也能反射蓝色光线，并吸收其他颜色的光线。这是由于光子晶体的阵列从不同角度
23、去看时会有一些微小的差别，能使彩虹的颜色具有各种可变动的色调。根据蝴蝶鳞片的多层薄膜结构与一维光子晶体具有相似的结构这一特性，即二者都是由不同折射率的介质周期性排列组成的有序结构，设计了由三种介质层厚度四种单胞量的 6 组一维光子晶体结构。在可见光范围内，应用Translight理论计算软件获得了上述一维光子晶体结构(2n+i)层的反射率。应用Origin Pro7.5 软件绘制了 6 组一维光子晶体的反射率曲线。通过反射率曲线对比分析可以得出仿蝴蝶鳞片设计的多层膜结构具有良好的光反射性能，反射率峰值在 0.8 到 1 之间，与典型蝴蝶鳞片多层膜结构大于 70%的反射性能相似；且仿生设计的一维
24、光子晶体结构具有较宽的峰值波段，保证了光干涉色的单色光着色和色泽，据此可以证明仿生设计结构的光学性能达到设计要求。根据一维光子晶体反射率曲线的对比分析还可以得出，一维光子晶体结构的光反射性能与膜层的厚度和层数有关。单胞厚度在波长的 1/4 范围内，反射率峰值较高，反射性能好；一维光子晶体的单胞量与反射率成正比。为仿生耦合多层膜结构的加工和制备提供了参数和理论支持。七 视频仿生设计示意图16在视频隐身领域,为了避免被探测到,军事设施往往需要在不同的光照下，呈现不同的颜色和亮度。还有军用的车辆从一个环境中进入到另一个环境时，需要改变一下自身的色调以和背景色尽可能的接近，这样可以实现更好的隐身效果。
25、右图是视频隐身仿生设计的示意图。模块1和2具有不同的光子晶体单元，可以根据隐身需要，产生不同的结构色，具体的颜色可以根据调整单元常数和折射率进行设计。将这两种结构色模块加工在另外一个具有色素色的材料表面上,排列的顺序如右图所示。模块1和2的结构色由各自的入射角条件产生，当满足条件1时,整个的材料表面就呈现结构色1和化学色的混合色,而结构色2没有被产生。同理,当发生变化后满足结构色2的产生条件时，整个材料表面呈现的就是化学色与结构色2的混合色。当同时没有满足条件1和2时，材料表面的颜色就只有化学色。这只是根据蝴蝶翅膀鳞片的变色效果提供的启发设计的简单的仿生材料表面变色模块，而具体的结构色种类和化
26、学色种类,要根据具体的应用需要选择适当的材料、适当的色素以及合理的设计尺寸,以达到需要的变色效果，本文只是探讨仿生学设计理论和前期基础工作，要能够在实际中应用还需要大量的实际试验。八 结束语蝴蝶的美丽源于它们的翅膀上具有丰富多彩的色泽和图案，堪称生物界最为优美和不可思议的组合。人们从蝴蝶身上得到灵感和启发，不断地探索着它们翅面颜色的奥秘。有些蝴蝶的斑斓色彩源于一种结构色，是其经过了亿万年的进化优化，逐渐形成的隐身功能，也是其生存的手段之一。自然界中生物的结构色、形成机理及其应用研究一直是国际上研究的前沿和热点领域，受到世界发达国家学术界、工业界以及军方的高度重视。本实验室从工程仿生学的角度，对
27、我国东北地区和购买的几种典型蝴蝶鳞片的形态、结构和光学性能进行了较为系统的研究，测试了蝴蝶鳞片在可见光范围内对光波的反射性能，设计了变色试验，揭示了结构色的形成机理，建立了鳞片的物理结构模型，进行了仿蝴蝶鳞片的隐身表面结构及视频仿生的设计和计算，计算结果与试验结果吻合较好，为视频隐身材料的设计提供参考和新的研究思路。参考文献1 丛茜.土壤动物非光滑体表减粘脱机理研究D.吉林工业大学博士学位论文,9922 任露泉, 佟金, 李建桥, 陈秉聪.生物脱附与机械仿生多学科交叉新技术领域J.中国机械工程, 1999, 10 (9): 984-986 3 任露泉,佟金,李建桥, 陈秉聪. 松软地面机械仿生
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