昆虫体表光学效应机理研究及其仿生应用初探

In this project, the optical property, external and internal microstructures, types and compositions of pigments of some selected insect cuticle surfaces with special function will be measured, compared and analyzed using micro area fiber optic spectrometer (MAFOS), R1 macro angle-resolved spectrum system (R1-MASS), ARM micro angle-resolved spectrum system (ARM-MASS), large depth-of-field 3D digital microscope (3D-DM), transmission microscope (TM), environmental scanning electron microscope (ESEM), transmission eletron microscope (TEM), UV-Vis spectrophotometer (UV-VS) and capillary electrophoretic method (CE), respectively. This project is, from the point of view of functional morphology, physical chemistry and evolutionary biology, to obtain the aims of coupling analysis of the effect of micro and nano structures and pigment components on the optical effect, and illustrating the mechanism of optical property with the support of the optical simulation and theoretical calculation of the optical performance of insect cuticle surface using the software FDTD solution and Rsoft based on optical principle, and the preliminary bionic preparation of optical structure using two step method to verify the optical property of the insect intact surface. First of all, all the results can offer the reference value and realistic significance for the development and preparation, regulation and optimization, design and manufacture, and practical application of biomimetic optical or photonic material, optical module. Secondly, it can rich the basic theory of biomimetics for the development of green technology. Finally, it can also provide the basic materials for the study of evolutionary history and evolutionary relationships of the related taxa.

本项目拟利用微区光纤光谱仪、R1宏观角分辨光谱系统、ARM微观角分辨光谱系统、高景深3D数字显微镜、透射显微镜、环境扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见分光光度计、毛细电泳系统对预筛选出的多种具有优异独特功能的昆虫体表的光学性能、表面及内部微观结构、色素种类及组分进行测量、解析、观察和比较，从功能形态学、物理化学及进化生物学角度耦合分析探讨各种形态的微纳米结构及色素对昆虫体表光学效应的影响，依据光学原理应用光学模拟软件FDTD和Rsoft对昆虫体表的光学性能进行模拟和理论计算，并初步尝试仿生复型制备光学或光晶材料结构，对昆虫体表的光学性能进行验证，进而揭示其机理。本项目的研究结果可为光学或光晶材料、光学组件的研发与制备、调控与优化、设计与制造及实际应用提供重要的参考价值及现实意义，丰富仿生学基础理论，为发展仿生绿色技术提供理论依据，还可为研究相关类群的进化历史和演化关系提供依据。

目前，国内外对生物体表成色机理或光学效应的研究都比较重视，国外关于该领域的研究较早，而国内在这方面的研究至今仍然较少，且该领域存在较大的研究空间，如（1）研究类群相对狭窄；（2）表面光学性能与其微观结构耦合分析偏多，化学色素在光学效应中的作用研究的较少；（3）与生物体表微观结构或色素相关的其他新现象或新功能特别需要进一步探索、发现和研究；（4）在应用方面，其光学效应机理以及仿生方法或条件等方面都还存在较大的研究空间，如光学性能的原位动态测试、相近光学效应的区分与保持、生物或结构模型需进一步优化和建立等；（5）尤其需要各个领域的研究人员不断推进该研究方向的深度，以期研究成果能尽快地应用在不同的领域。..本项目中主要应用微区光纤光谱仪、R1 宏观角分辨光谱系统、ARM 微观角分辨光谱系统、高景深 3D 数字显微 镜、透射显微镜、环境扫描电子显微镜、复型、多组学等技术手段，对鳞翅目、半翅目等30多种昆虫翅表光学性能、微观结构、色素的种类及组分进行测量、观察、解析和比较；综述了昆虫色素的研究进展，分析了灰蝶、斑衣蜡蝉等昆虫翅膀的成色机理。研究发现斑衣蜡蝉翅表变蓝的真正原因是病原细菌的入侵，引起了寄主一系列防御、应激及免疫应答反应导致的。..本项目具有以下几个方面的研究意义：（1）在微米、纳米尺度上进行耦合分析，从功能形态学、物理化学及进化生物学角度探讨各种形态的微米、纳米结构及化学色素对昆虫体表光学效应的影响；（2）揭示其成色机理，建立生物模型，具有为光学或光晶材料的仿生制备、光学组件的研发与应用提供参考的重要价值及现实意义；（3）根据其具有的微纳米结构和色素成份，不断加深对昆虫体表的认识，为工程技术提供有启迪意义的生物学知识；（4）丰富仿生学的基础理论，为发展仿生绿色技术提供理论依据及积累有益信息；（5）此研究结果还可为研究相关类群的进化历史和演化关系提供依据。