2017年5月22日 星期一

『臺博新知』:仿生槐葉蘋的冠狀頭合成毛可從空氣集水

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝/國立臺灣博物館
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士

義大利科學家領導的跨國研究團隊模仿漂浮性水生蕨類人厭槐葉蘋(Salvinia molesta)葉片表面微結構毛狀體,製造出具有空氣集水能力的仿生冠狀頭合成毛,能將空氣中的濕氣局部凝結成水滴,應用於汲取空氣中蘊含卻未被利用的豐沛水資源。此種使用雷射直寫微影製程(direct laser lithography)的新材料,具有尺寸縮小約100倍的3D微構形表面,微尺度的合成毛可達亞微米解析度(submicrometric resolution),當浸入水中時,合成毛的微構形表面可類似天然葉片微結構般顯示保留空氣和疏水性特性。研究成果於2015年11月發表在《ACS應用材料與介面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊。

仿生冠狀頭合成毛具空氣捕獲、疏水性、和將濕氣凝結成水特性,可應用於空氣集水(繪製者:王美乃)。
人厭槐葉蘋(Salvinia_molesta)浮葉表面密佈冠狀頭毛狀體微結構,具高疏水性和凝結水滴能力(圖片來源:林士傑)。
人厭槐葉蘋屬於水龍骨目(Polypodiales)槐葉蘋科(Salviniaceae),葉片可分為綠色卵狀浮葉和棕色變態葉,浮葉表面密佈具冠狀頭(或稱打蛋器)的毛狀體,結構細分為高1.5公釐(mm=10-3m)圓錐狀小突起(莖),在頂部分成四根略彎細毛,末端融合形成高約500微米(µm=10-6m)的冠狀結構。除頂點外,覆蓋具低表面能的蠟晶,提供微奈米尺度的高粗糙性和高疏水性;具親水性的光滑頂點則由一小群死細胞組成,是確保水滴的錨定點。當浸沒水中時,毛狀體末端細毛能抓住水分,封住內部空氣膜、保留空氣層,仍能進行蒸發和絕緣作用,因此在洪水淹沒期間亦可存活。空氣膜的長期穩定性是由疏水性、微尺度或毫米級尺度的毛、額外的微細結構(例如脊起、毛、或蠟)、微米或奈米腔、和彈性結構等五個表面特徵造成。

義大利技術研究院(Istituto Italiano di Tecnologia)神經科學暨腦科技部門組長馬托里(Virgilio Mattoli)博士領導的跨國研究團隊,以3D雷射直寫微影製程製造仿生冠狀頭合成毛,將又名感光抗膜或光阻劑的光刻膠(IP-DiLL photoresist,即環氧樹脂基抗蝕劑)刻在玻璃上,每根合成毛的莖高7微米、直徑1.5微米,頭部厚1微米、直徑6微米,由三個圓圈彼此旋轉60度、相互交叉構成,具良好機械性能,微小尺寸和高長寬比的冠狀頭合成毛浸泡水中時,在玻璃上的位置固定、結構穩定,不會倒塌崩解。

研究團隊先以2D六邊形格狀結構排列製作合成毛樣本,每根毛的莖間距離9微米,不同毛的冠狀頭細毛間最小距離約3微米,使用共軛焦顯微鏡檢測各種不同組合(例如莖高7、10、13微米,頭部圓圈3-6個等)時,冠狀頭內和莖間的水或空氣效果,發現玻璃基底和合成毛冠狀頭間存在穩定的空氣層,證明新材料能複製人厭槐葉蘋葉片毛狀體的捕獲空氣功能,且合成毛冠狀頭的尺寸、厚度、和圓圈數會決定固液態和固氣態介面的數量,影響捕獲空氣的能力。

他們再採用電阻較低的矽取代玻璃為基板,以矽晶圓為材料修改設計優化仿生合成毛,每根毛的莖高維持7微米,但頭部改由四個圓圈相互交叉構成厚650奈米(nm=10-9m)、直徑4微米,莖間距離5微米,冠狀頭細毛間最小距離約2微米,測試含20x20根合成毛的正方形樣本,結果可捕捉空氣且冠狀頭部開始凝結成液態微水滴,並環繞著莖間增長,充滿整個空間並達基底,最後形成平坦的液滴,證明此種結構真正具有從空氣集水的特性。

在相同基底材料上透過調節幾何形狀、尺寸、和莖間距離三種屬性,可製造不同功效的3D微構形表面,產生新型的功能結構化表面,即使採用親水性材料製作仿生合成毛,甚至以玻璃或矽晶圓等不同基底材料製造這種微尺度結構,只要遵循相同步驟,實際上亦無任何限制,依然能展現明顯的空氣捕獲、疏水性、和促進環境濕氣局部凝結成液態水等特性。研究團隊未來將持續改善優化這種微構形表面的濕潤度、保濕性、和凝結率,應用於例如從含水空氣中收集水分引導流入水庫系統的集水產品,解決乾旱地區缺水問題,或開發工業熱交換器用之相變化導熱材料等。

(以上新聞編譯自2015年11月11日發行之ACS Applied Materials & Interfaces期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
日期:2017/5/18

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生槐葉蘋的冠狀頭合成毛可從空氣集水

資料來源:
Tricinci, O., T. Terencio, B. Mazzolai, N. M. Pugno, F. Greco, and V. Mattoli. 2015. 3D Micropatterned surface inspired by Salvinia molesta via direct laser lithography. ACS Applied Materials & Interfaces, 7(46): 25560-25567 (+ 12 pp. Supporting Information).

延伸學習:
賴婉婷、歐陽盛菊、歐陽盛芝。2017。可從空氣中高效集水的新仿生表面。科技部/科技大觀園,2017/01/06。




2017年5月15日 星期一

『臺博新知』:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅



賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝/國立臺灣博物館

    德國研究團隊仿生寬紋黑脈綃蝶(Greta oto)透明翅膀表面奈米柱構造的不反光特性,研發出具有合成錐狀奈米柱結構的全向抗反射(omnidirectional anti-reflection)表面塗層,可解決因光線反射、在明亮的環境中很難辨視和閱讀光電裝置的問題,成果已由卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology,簡稱KIT)霍爾舍(Hendrik Hölscher)教授在20154月發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊。
仿生透明蝶翅表面奈米結構的全向抗反射表面塗層,可應用於光學、光電、和電光裝置等(繪製者:王美乃)。

寬紋黑脈綃蝶又名玻璃翼蝶,因膜質翅膀幾近全部透明無鱗片和色彩,看似玻璃而得名,是最有名的透翅蝶(Glasswing butterfly),這種具有透明度的偽裝能有效防禦捕食者,對光線具有低吸收、低反射、和低散射性質,雙翅的翅脈和翅緣為不透明的紅、棕、或深褐色,前翅上緣有一道白色斑紋,屬於鱗翅目(Lepidoptera)蛺蝶科(Nymphalidae)綃蝶族(Ithomiini),主要分布於中、南美洲的雨林。
 
寬紋黑脈綃蝶(Greta_oto)透明翅膀表面微結構具有不反光特性(圖片來源:歐陽盛芝)。

研究團隊以掃描式電子顯微鏡觀察,寬紋黑脈綃蝶翅膀的棕色和白色區域具有其他種蝴蝶常見之橢圓形鱗片,長、寬為200 × 50微米(μm=10-6m),鱗片表面具許多平行的細微縱向凸脊,棕色區域的脊間有薄膜、但白色區域沒有;透明區域的鱗片則特化成厚約2微米、高約40微米的毛狀鱗片(piliform scale),稱為微纖毛(microhairs)或剛毛(bristles),各微纖毛間的距離為40-50微米。以膠帶移除微纖毛和未移除對照組的光學效應測試,微纖毛不會影響透明度。透明部分密佈具高長寬比、隨機高度、和隨機排列的奈米柱,半徑為40-60奈米(nm=10-9m),具有高160-200奈米的錐形基座,高度大多400-600奈米(比約80,000-100,000奈米粗的人類頭髮約小200倍),長寬比約為5,但有些可達為10以上,平均高度為500±100奈米,各奈米柱間的距離為120±20奈米,翅膀背、腹兩面的奈米結構沒有差異,具有相同的反射特性。




為分析透明翅膀的鏡面反射和漫反射功能,他們使用角度分辨光譜儀測試,得知寬紋黑脈綃蝶翅膀透明部分在可見光區域有2%的低鏡面反射率(空氣/翅膀介面比率),在紫外線到近紅外線區域僅有3%的低反射率。入射光角度實驗也得知,8度至65度的反射率皆低於2.2%80度時僅5%90度時甚至只有0.2%的反射率,這種在不同視角下的低反射性是由隨機高度和排列的奈米柱結構所造成,顯示透明區域具有全向和寬帶抗反射性能;透明部分還具有高達84%的穿透性,當散射角在5度以內時,穿透率才會從84%下降到近乎0,證明蝶翅具低散射性與全向高透明度。

研究團隊仿生寬紋黑脈綃蝶翅膀透明部分的錐狀奈米柱結構,透過優化錐狀基座的形狀、寬度、和高度,為寬帶波長及寬範圍的視角設計幾乎完美的抗反射表面,使用蝕刻沈積技術(etching techniques)製造出平均厚度(高度)500奈米的仿生透明蝶翅全向抗反射表面塗層,比傳統厚度至少1微米的多層寬帶抗反射塗層更薄,並具有疏水性。

新型塗層除可開發為具有偽裝、隱形效果的「零反射面」產品應用於軍事領域外,還可降低視角的眩光與避免水濺損傷,應用於製造鏡片、鏡頭、電視、手機、或電腦螢幕等不反光玻璃。若運用於太陽能領域,可增加光吸收率,解決現有太陽能面板因矽材質會反射高達33%入射光線,因而降低太陽能轉換效率的問題,提升發電效率。若運用於發光二極體(LED)還能提高有效光的提取率,也能提升反射鏡、透鏡、光電感應器、表面發射激光器、顯示器、光學感應或成像等光學、光電、和電光裝置的性能。

(以上新聞編譯自2015年4月22日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館


日期:2017/5/11

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅

資料來源:

Siddique, R. H., G. Gomard, and H. Hölscher. 2015. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly. Nature Communications, 6: 6909-1-11 (+ 5 pp. Supplementary Information).

延伸學習:

寬紋黑脈綃蝶。2017。百度百科。http://baike.baidu.com/item/%E5%AE%BD%E7%BA%
B9%E9%BB%91%E8%84%89%E7%BB%A1%E8%9D%B6(瀏覽日期:2017/03/22)。

Eelpuch, A. 2015. Butterfly wing studies helping to reduce glare from your mobile screen. L’Atelier: Accelerating Innovation, May 21, 2015.



2017年5月8日 星期一

『臺博新知』:新型魚鱗甲仿生草魚魚鱗

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝/國立臺灣博物館

中國、美國與日本的跨國團隊經由研究草魚(Ctenopharyngodon idella)魚鱗多級結構和力學性能,研發出超輕、高韌性、和柔性的仿生合成複合魚鱗,依此可設計兼具靈活性與防護功能的仿生多級結構防護裝備,例如魚鱗甲防彈衣、防彈插板、軍隊制服、護甲、頭盔,或是車輛、太空船保護層、運動護具等,研究成果於2016年3月在《材料與設計》(Materials and Design)期刊發表。

仿生草魚魚鱗結構的合成複合魚鱗可製作魚鱗甲防彈衣、車輛或太空船保護層、和運動護具等(繪製者:王美乃)。
本種魚鱗是真皮演變的骨質鱗(bony scale),終生不更換、且可隨魚長大,由堅硬的骨質外層(成分為羥磷灰石,Ca5(PO4)3(OH))和柔軟的膠原纖維(collagen fibrils)內層(纖維片層依交錯角28-31度的固定偏轉角螺旋或正交排列交錯疊加)組成,骨質外層與膠原內層厚度比從魚鱗中心到邊緣逐漸變化,中心的厚度比約1:1,最大厚度0.40-0.45公釐。單片草魚魚鱗為半透明不規則六邊形,長、寬大致為25-30 ×23-32公釐,表面具有年輪般寬窄不一的同心圓環紋,形成光滑的明顯網線,前端斜插入真皮,遊離的後端圓滑,稱為圓鱗(cycloid scale),以覆瓦排列方式疊置於表皮,彼此間的相互覆蓋率約0.667,這種結構在被外力攻擊時能分散撞擊力量,有效擴散單片魚鱗壓力,減少損傷。

草魚(Ctenopharyngodon idella)魚鱗屬於圓鱗,具有很強的抗穿透力(圖片來源:歐陽盛芝、林士傑)。

中國湖南大學朱德舉(Deju Zhua)教授領導的研究團隊,包括美國亞利桑那州立大學(Arizona State University)及日本東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)研究成員,他們測知草魚魚鱗與膠原內層的力學性能各為平面內各向異性和各向同性,脫水魚鱗(厚度0.22-0.29公釐)的彈性模量和拉伸強度分別為飽水魚鱗(厚度0.40-0.45公釐,含膠原內層厚度約0.10公釐)的10倍和3倍,但極限應變卻減少約50%,且飽水魚鱗和膠原內層的力學性能與應變率有很大相關性,穿透試驗結果顯示草魚魚鱗具有比聚苯乙烯、聚碳酸酯等人工合成聚合物更強的抗穿透力,單片魚鱗甚至能在骨質外層上形成十字形裂紋侷限破壞力量。

因此研究團隊採用輕量、高強度、和高彈性模量的高效防彈陶瓷碳化矽(SiC)模仿骨質外層,以較軟、易延展的輕質鋁合金(Al 6061-T6,密度為每立方公尺2,700公斤)當膠原內層,參考龍鱗甲(Dragon Skin armor)防彈衣(尖峰裝甲公司Pinncle Armor Company產品)內單片陶瓷圓形防彈瓦尺寸,製成每片半徑25公釐的圓形魚鱗,模仿草魚魚鱗結構和排列模式,每片魚鱗與模擬真皮層(鱗囊)的0.28公釐厚之凱芙拉(Kevlar®-49)織物共享一個節點連結固定,製成表層長、寬5x5合計25片魚鱗的整塊合成複合魚鱗。

考量影響仿生合成複合魚鱗的防彈性能包括魚鱗的陶瓷材料和厚度比、重疊率和角度、凱芙拉織物的疊層數、和子彈初始衝擊速度等四個因素,研究團隊將仿生魚鱗以不同組合的陶瓷材料、厚度比、重疊率、重疊角度、織物疊層數等製成整塊試樣進行測試。以LS-DYNA®軟體做穿透測試的數值模擬,並分析仿生魚鱗的殘餘速度(residual velocity)和穿透深度(depth of penetration,簡稱DOP)。

首先試驗碳化矽、碳化硼(B4C)、鋁鎳合金(AlNi)、和氧化鋁(Al2O3)四種輕質高硬度陶瓷材料的仿生魚鱗,結果顯示碳化矽的能量吸收率最高,因此碳化矽/鋁為最佳材質組合。碳化矽層越厚、抗穿透性越佳、但越重,鋁層太厚則降低仿生魚鱗的硬度和強度。當魚鱗厚度固定6公釐時最優,碳化矽/鋁的最佳厚度比為3:2,子彈穿透深度隨魚鱗厚度增加而降低;當厚度不變、碳化矽增多使魚鱗硬度和厚度比增大時,子彈殘餘速度和穿透深度隨之減少,殘餘速度也會隨厚度增加而減低。若魚鱗重疊越多、重疊角度越大,仿生魚鱗的變形越小,最佳重疊率為0.4,當重疊角85度,鋁層被子彈撞擊時僅呈現塑性變形、無穿刺破壞,且能量吸收效率隨重疊率增加而增大,魚鱗的變形會隨凱芙拉織物疊層數和魚鱗重疊率增加而減少;若以純碳化矽合成魚鱗為對照組,當子彈衝擊速度為每秒878公尺時,仿生魚鱗面積密度降低12.5%(即輕量化),仍具備相同防彈性能。

仿生合成複合魚鱗被子彈撞擊時,傾斜重疊的魚鱗使子彈滑動和偏轉導致動能減少,碳化矽外層先以脆性破裂吸收大部分子彈動能,殘餘穿透力和能量則由落點和鄰接魚鱗吸收而降低影響;若子彈穿透進入鋁內層時,會經塑性變形吸收殘餘能量並彈回,凱芙拉織物會保持魚鱗的移動性並重新分配衝擊能量,共同構成極佳的防彈機制。研究團隊根據試驗數據建立電腦模擬模型,未來可依需求開發不同的防護裝備量產運用。

(以上新聞編譯自2016年3月11日發行之Materials and Design期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

日期:2017/5/4

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:新型魚鱗甲仿生草魚魚鱗

資料來源:

Liu, P., D. Zhu, Y. Yao, J. Wang, and T. Q. Bui. 2016. Numerical simulation of ballistic impact behavior of bio-inspired scale-like protection system. Materials and Design, 99(5): 201–210.

延伸學習:

草魚。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8D%89%E9%B1%BC(瀏覽日期:2017/02/25)。

邵廣昭、陳靜怡。2003。魚類圖鑑:台灣七百多種常見魚類圖鑑。遠流出版事業股份有限公司,444頁。

劉鵬、汪俊文、朱德舉。2016。草魚鱗片的多級結構及力學性能。複合材料學報, 33(3): 657-665。

2017年5月1日 星期一

『臺博新知』:新型透明螢幕仿生歐洲帽貝發光機制

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝/國立臺灣博物館

歐洲帽貝(Patella pellucida)只靠改變無機物質排列模式反射藍光產生色彩,不同於其他生物如鳥類、蝴蝶、和甲蟲的鮮豔色彩圖案都源自色素細胞、或幾丁質、鳥嘌呤等有機材料結構,是首例使用提供機械保護的礦化無機物結構而產生光學顯示的生物。美國科學家已解密歐洲帽貝殼的微結構和發光機制,未來可透過奈米製造技術,控制無機材料如碳酸鈣分子變化多種排列,就能在不同光照下呈現各種顏色圖案,開發無需發光體等內部光源、僅靠環境光線即可運作、顯示訊息時不會妨礙原有視野的仿生透明螢幕。

仿生歐洲帽貝發光機制的透明螢幕靠環境光線即可運作,將用於商業廣告或玻璃、電子、電器產品(繪製者:王美乃)。

歐洲帽貝屬於腹足綱(Gastropoda)原始腹足目(Archaeogastropoda,現已改分至笠形腹足目Patellogastropoda)笠螺科或稱帽貝科(Patellidae),主要分布於東大西洋海岸從冰島、挪威、英國、到葡萄牙和加那利群島海岸的潮間帶和潮下帶,以足牢牢吸附海邊岩石棲息,或遊走沿岸海藻林進食並留下特殊圓形食痕。幼貝體長約2-5公釐,成貝體長約5-15公釐,身體扁平,半透明的殼薄而平滑、殼背隆起、殼底呈圓形或橢圓形,殼內為白色且具光澤,殼表呈角質色,有數條藍色虛線放射紋,在水中閃現耀眼藍光。

歐洲帽貝(Patella pellucida)會閃現藍光,是首例使用礦化無機物結構產生光學顯示的生物(圖片來源:歐陽盛芝)。

美國麻省理工學院馬蒂耶斯‧科勒(Mathias Kolle)助理教授與哈佛大學史蒂芬‧科勒(Stefan Kolle)博士合組研究團隊,調查歐洲帽貝的棲地和形態,發現可分成在海帶葉面具藍色條紋的薄殼族群、和躲藏在海帶基部幾無藍紋的硬厚殼族群,由於棲地附近存在四種有毒的海蛞蝓(Polycera elegans、Trinchesia caerulea、Facelina auriculata、和Felimare cantabrica)具類似顏色圖案,因此推論薄殼族群的藍色條紋是一種偽裝海蛞蝓的擬態,用以嚇退捕食天敵,但躲藏在海帶基部的硬厚殼族群即使無藍紋仍能存活。

他們觀察到歐洲帽貝的藍色條紋在幼貝殼先出現不連續之斑點,隨著成長過程增長,且連接成長度不等的虛線紋,但寬度保持恆定(0.1-0.2公釐),這種條紋圖案、和從深藍色到綠松色的色調皆存在個體差異。當使用掃描式電子顯微鏡觀察,帽貝殼表的條紋區與其他區域在結構上完全相同,研究團隊因此認為條紋圖案來源可能出自殼的更深處特徵。

帽貝殼的主要成分是碳酸鈣(CaCO3),當使用穿透式電子顯微鏡觀察殼的縱剖面,在藍色條紋區域,殼的頂層和底層相對均勻,具有與其他種貝殼結構類似碳酸鈣片晶和薄的有機層緻密堆疊,因不同排列模式,自外至內可分為六層,包括不規則片層層(irregular lamellar layer)、光子多層(photonic multilayer)、膠體粒子層(colloidal particles layer)、交叉片層層(cross-lamellar layer)、棱柱層(prismatic layer)、和複合交叉片層層(complex cross-lamellar layer)。

不規則片層層下方10-20微米(μm=10-6m)處為光子多層區,由厚度113.0±11.2奈米(nm=10-9m)的方解石(calcite)片層,以52.8±7.0奈米規則間隔和144.4°±3.0°傾斜角度,構成鋸齒形圖案的多層結構,寬度配合藍色條紋寬度約100微米(0.1公釐),殼中心有40-60層,厚度約7-10微米,然後向周邊漸減片層數量,至殼邊緣最薄。通常薄片層間的空隙可能充滿水或低密度水合物,奈米級礦物橋會連接相鄰薄片,並以錯位連結片層邊緣,加強此結構的機械穩定性。但在藍紋以外區域,礦化結構單元緊密堆積,無任何明顯間隔。

膠體粒子層位於光子多層區下方,厚度約為5微米,由碳酸鈣粒子堆疊成球形膠體顆粒,隨機分散成無序排列,平均粒徑313±101奈米,寬度較光子多層略小,因此藍色條紋邊緣下方無膠體粒子,這層與光子多層形成雙重微結構的光學組合,可過濾陽光。研究團隊使用光學顯微鏡、光譜學、和繞射顯微鏡檢測,發現光子多層的優化結構能反射藍光和綠光,膠體粒子層可吸收其他波長的透射光,使反射的藍光和綠光更飽和艷麗。這種光學效應讓其反射的藍光強度,在位於水深10和20公尺處,仍達到在水面時的77%和60%,提供良好的顏色保真度,即使距離大於5公尺處,潛水員還可看到海帶上歐洲帽貝反射的藍光。且測試得知,當堆疊更厚的碳酸鈣分子或改變層間距離時,藍色條紋的顏色隨之變化。

這項研究成果已於2015年2月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,未來將可廣泛應用於商業廣告或車窗、門窗、家具、廚具、眼鏡、電子或電器設備透明結構等日常生活產品,可顯示地圖、導航資料、外部溫度等資訊,或能進行視訊通話和收發電子郵件,不會阻擋視野,甚至可研發利用頭部或基座傾斜就能改變材料厚度和間距的動態螢幕。

(以上新聞編譯自2015年2月26日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館


日期:2017/4/27
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:新型透明螢幕仿生歐洲帽貝發光機制

資料來源:
Li, L., S. Kolle, J. C. Weaver, C. Ortiz, J. Aizenberg, and M. Kolle. 2015. A highly conspicuous mineralized composite photonic architecture in the translucent shell of the blue-rayed limpet. Nature Communications, 6(6322): 7322-1-11 (+ 8 pp. Supplementary Information).

延伸學習:
李文正。2016。松下推出透明螢幕,「毫無存在感的電視機」。壹讀,2016年10月5日。


劉胖胖。2016。雙面、曲面、超窄邊、透明螢幕!LG OLED商用顯示器在台首發亮相。LPCOMMENT科技生活雜談,2016年11月8日。

Graham, A. and V. Fretter. 1947. The life history of Patina pellucida (L.). Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 26 (4): 590-601.

Jennifer Chu. 2015. A mollusk of a different stripe : optical features embedded in marine shells may help develop responsive, transparent displays. MIT News, February 26, 2015.

Patella pellucida. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Patella_pellucida (Visit date: 2017/03/16).

Singer, M. 2015. Blue-rayed limpet holds secret for windscreen transparent displays with no internal light source. Market Business News, February 27, 2015.

Suzuki, M., J. Kameda, T. Sasaki, K. Saruwatari, and H. Nagasawa. Characterization of the multilayered shell of a limpet, Lottia kogaamogai (Mollusca: Patellogastropoda), using SEM-EBSD and FIB-TEM techniques. Journal of Structural Biology, 171(2): 223-230.

2017年4月24日 星期一

『臺博新知』:撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝/國立臺灣博物館
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士

美國史丹佛大學(Stanford University)倫廷克(David Lentink)副教授領導的研究團隊仿生鳥翼和蝙幅翼,研發出一款遭遇障礙物時可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機,能在密林枝葉或建築物間輕鬆飛越狹窄空間,即使意外撞擊障礙也能迅速恢復,並繼續執行如環境(空污)監測、海上巡邏、國土保育、急難搜救、氣象觀測和通訊中繼等既定任務,未來能夠據此動態模型開發出不同大小和形狀機型,擴大應用範圍。研究成果已於2015年3月在《生物靈感與仿生》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊發表。

仿生鳥和蝙蝠的撲翼型無人機遇障礙時可摺疊回彈機翼,遭意外撞擊也能恢復,將用於環境監測、急難搜救等(繪製者:王美乃)。
鳥類和蝙蝠的翅膀外觀雖然不同,但在解剖學上與人類的手臂屬於同源構造,搧動雙翼就能靈活準確地起降和飛抵目的地,充分展現輕鬆駕馭空氣動力學的特性。鳥類泛指鳥綱(Aves)動物,大部分物種都具有飛行能力。為了適應飛行,演化出總重量僅佔體重5%的輕盈強健骨骼、強壯的肌肉、高效新陳代謝的循環系統及呼吸系統等,與飛行有關的骨骼架構由上而下分為:肩胛骨、鳥喙骨、和肱骨,構成類似人的肩膀和上臂;肱骨則與尺骨和橈骨相連,類似人的手肘;往下連接腕骨、掌骨、和指骨,類似人的手腕和手掌。骨骼相接處具有關節,讓鳥翼能伸縮與摺疊,尤其飛越或經過狹小空間時適度收縮翅膀,可防止意外碰撞到異物或其他生物,或分散減輕碰撞力量而避免受傷。飛行時以喙上肌讓翅膀往上抬升,胸大肌使翅膀向下拍動,並用覆蓋體表的羽毛調整飛行姿態,尤其是尾羽可控制飛行方向。至於蝙蝠為翼手目(Chiroptera)動物,在四肢和尾巴間覆蓋薄而堅韌的皮質翼膜和股間膜,腳和尾巴在飛行時可控制身體平衡。

都市常見的野鴿(Columba livia)具可摺疊翅膀,早已被人類普遍飼養繁殖(圖片來源:賴景陽)。


研究團隊以鳥翼為靈感設計仿生翅膀,使用碳纖維(carbon fiber)仿生鳥翼骨骼製作骨架,因鳥類皮膚和羽毛結構較複雜,故搭配仿生蝙蝠皮質翼膜的麥拉膜(Mylar®,即聚酯薄膜)取代,製造左、右機翼,翼展長40公分,翼弦長(chord length,指機翼前緣和後緣連成直線的長度)8公分,並以3D列印如鳥類腕關節(wrist joint)的針狀關節,連接臂翼和手翼骨架。透過關節能帶動手翼讓機翼撲動,遇到障礙時,無需額外動力驅動,手翼可以臂翼為基準,在0.07秒內像鳥翼般自由摺疊或回彈展開,只增加撲翼型無人機3%總重量。

機翼分成仿鳥類肩胛骨到橈骨的「臂翼」和從腕骨到指骨的「手翼」,兩者間用三秒膠以3D印表機列印厚度29微米(μm=10-6m)的針狀關節連結,骨架前緣的臂翼採用半徑1公釐、手翼為半徑0.8公釐的D形碳纖維構成,表面覆蓋5微米厚的麥拉膜,並用Weldwood樹脂以左、右翼的針狀關節為端點,各黏著直徑0.28公釐的4根圓形碳纖維,模仿蝙蝠指骨加強機翼,能承受氣流壓力不致破損。這種構造和機制使臂翼透過關節與機體相連並驅動翅膀,手翼在撲翼過程中自動摺疊和展開。

實際以鋼條撞擊測試結果發現,當推撞發生時機翼能自動摺疊變形,若用鋼條模擬無人機在飛行中碰到樹枝或牆壁的大力撞擊時,機翼的尖端透過向內側摺疊動作吸收衝擊力量,且因振翅運動引起的離心力驅動,機翼會快速回彈,並在0.07秒(機翼搧動頻率為14赫茲,即每秒搧動14次,故搧動一次約需0.07秒)內完全展開復原,證明這款機翼遇到障礙時,無需感應器、馬達等助力或電力即可被動調整恢復。

為理解翅膀如何摺疊和展開的動力學,研究團隊根據以往相關實驗數據,並分析46種鳥類的振翅幅度(flapping amplitude)和248種鳥類的翅膀摺疊比率(fold ratio),發現兩者間在16種鳥有相關性。他們以電腦創建振翅幅度和翅膀摺疊比率的動態模型進行模擬測試,得到能從撞擊中恢復的機翼設計,試驗改變振翅頻率、機翼的幾何形狀、和釋放時間等不同組合,發現只有較高的振動頻率和幅度導致在絕對時間內更快展開機翼,但機翼的幾何形狀和釋放時間對被動摺疊變形機制無太大影響,故得出無論機翼或機體尺寸,這款機翼設計在遇到障礙時都能迅速摺疊變形,並迅速回彈展開的結論。再用高速攝影機紀錄鴿子和太平洋鸚鵡(Forpus coelestis)飛行試驗,分析結果確實均符合此動態模型。將來生產的可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機,不但節能且可在空中躲避碰撞、穿越障礙,運用於實境空拍、探測建築、偵測監控重要軍情、獵殺攻擊特定目標、貨物快遞等方面。

(以上新聞編譯自2015年3月25日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

日期:2017/4/20

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

資料來源:
Stowers, A. K. and D. Lentink. 2015. Folding in and out: passive morphing in flapping wings. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 025001-1-16.

延伸學習:
鳥類生理解剖學。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B8%9F%E7%
B1%BB%E7%94%9F%E7%90%86%E8%A7%A3%E5%89%96%E5%AD%A6(瀏覽日期:2017/03/13)。

Nordqvist, C. 2015. Drone with bird-bat-like wings can recover from mid-air collision. Market Business News, March 25, 2015.

Whitwam, R. 2015. Morphing wing design lets drones bounce back from impacts. ExtremeTech, March 26, 2015.




2017年4月17日 星期一

『臺博新知』:仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝/國立臺灣博物館

玻璃具有透明、堅固、抗化學腐蝕、耐用等優點,但脆裂易碎,加拿大麥基爾大學(McGill University)巴德拉特(Francois Barthelat)副教授領導的研究團隊,模仿紅鮑(Haliotis rufescens)貝殼珍珠質微結構,研發新型耐熱結構玻璃,由93%硼矽酸鹽玻璃(Borosilicate Glass)和7%聚氨酯(polyurethane,簡稱PU)組成,遭受強力衝擊時只會略微彎曲、卻不碎裂,較100%硼矽酸鹽玻璃的韌性增加達700倍、抵抗衝擊能量大2-4倍,可拉伸延長約5%(硼矽酸鹽玻璃僅0.1%)。未來除可取代既有耐熱玻璃外,還能應用於交通工具或建築物窗戶、防彈玻璃、安全鏡片、電子或電器設備的透明結構和觸控螢幕、天文望遠鏡、太空梭隔熱瓦等。相關論文於2016年2月在《Extreme Mechanics Letters》期刊發表。

仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃遭受強力衝擊時不會碎裂,可用於窗戶、安全鏡片、觸控螢幕等(繪製者:王美乃)。
純玻璃又稱石英玻璃(fused silica),成分為100%二氧化矽(SiO2),以高溫熔融矽砂後冷卻成形,膨脹係數5.8×10-7,莫氏硬度7;再添加13%氧化硼(B2O3)就能製成俗稱耐熱玻璃的硼矽酸鹽玻璃,又名硬玻璃,具有低膨脹率、耐高溫、高強度、高硬度、高透光率和高化學穩定性,膨脹係數32×10-7,可耐200度溫差的急熱和急冷,常用於製造試管、燒杯等理化實驗器材設備,烹飪的鍋具、餐具、玻璃保鮮盒、奶瓶、耐熱茶壺和茶杯等廚房用品、燈罩、與電器設備的耐熱玻璃零件如微波爐專用玻璃轉盤、微波爐燈罩、滾筒洗衣機觀察窗等,派勒克斯玻璃(Pyrex glass)即為一例,但遭到外力撞擊時仍會產生裂紋或破損。

研究團隊因此研究紅鮑殼珍珠質的增韌機制,發現珍珠質的多層微結構會使外力造成的裂紋偏轉、並消耗能量,同時有機質產生非線性變形和微滑移,而礦物橋和文石的晶體變形偏移具有互鎖作用,符合拓撲互鎖材料(topologically interlocked materials)中,特定形狀的結構塊之間以機械鍵互鎖,構成在橫向靜態或衝擊負載時具有強度和韌性的結構材料,因而在較高強度時能大幅提高韌性。

盤鮑螺(Haliotis discus)與紅鮑同屬,分布於臺灣和中國大陸,也是被人工養殖的食用貝(圖片來源:林士傑)。
紅鮑殼的厚度約0.6-0.7公釐,其中50%位於最內層、結構最強韌的珍珠質,成分除極少量水,還有5%彈性柔弱的有機質(幾丁質與絲蛋白)提供非線性變形、裂紋偏轉,並觸發極強的增韌機制,及95%具有剛度和硬度的文石晶片(又名霰石,斜方晶系的碳酸鈣CaCO3)。文石的碳酸鈣晶體長、寬為200x100奈米(nm=10-9m),晶體界面上的有機質厚約10奈米;文石晶體聚集形成的六邊形文石晶片,直徑5-15微米(μm=10-6m),厚度0.5-1.0微米。有機質黏結文石晶片,類似水泥及磚塊交叉疊層成磚牆結構,文石晶片層表面有許多微突起的礦物橋連接層與層間,與有機質共同形成奈米級粗糙度,提供滑動的摩擦阻力,這種結構較純碳酸鈣晶體的斷裂韌性高3,000倍,強度高達130百萬帕(Mpa)。

研究團隊採由上而下的製造方式,使用長、寬、厚50.8×50.8x3.175公釐的硼矽酸鹽光學級263M玻璃板,以雷射在玻璃內雕刻出微凹陷和裂紋、並產生雕刻接口,再用6.375×3.175公釐的基塊,與雕刻接口從0到20度的不同互鎖角度進行組合,再分別測試韌性。

結果發現基塊的互鎖角度、雕刻接口的粗糙度、接口材料、和載荷速率等都會影響耐熱結構玻璃的強度與韌性,基塊的幾何形狀、尺寸、排列、及外部框架的約束程度,都會決定耐熱結構玻璃的變形和斷裂程度,若雕刻接口角度在10度以內增加時,韌性較對照組的相同材質耐熱玻璃高,彼此間卻幾乎沒有差異。但在以PU填充初級結構玻璃的試驗中,採用離子聚合物(ionomer)沙林樹脂(Surlyn 9320,美國杜邦公司生產)仿生有機質黏合基塊,結果塑性變形大幅增強能量耗散性能,產生高變形和高強度,因此增加耐熱結構玻璃的韌性;若受到橫向力或衝擊時,耐熱結構玻璃較對照組高5-6倍的偏轉,並因雕刻接口引起的互鎖作用,亦可承受較大力量。新型耐熱結構玻璃的彎曲剛度、強度、和透明度雖低於對照組,但兩者表面硬度相同,且衝擊能量吸收力和衝擊抗力分別是對照組的50倍和2-4倍,且不會像對照組般碎裂。

由於3D雷射雕刻技術僅需一束雷射脈衝就可精確聚焦至預定位置玻璃,研究團隊未來將持續測試並以電腦建模,提升耐熱結構玻璃的整體機械性能,並升級製造技術,以運用於不同形狀、或更大、更厚的材料,研發和量產更優質的耐熱結構玻璃和相關產品。


(以上新聞編譯自2016年2月20日發行之Extreme Mechanics Letters期刊)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

日期:2017/4/13

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

資料來源:
Mirkhalaf, M., J. Tanguay, and F. Barthelat. 2016. Carving 3D architectures within glass: exploring new strategies to transform the mechanics and performance of materials. Extreme Mechanics Letters, 7: 104-113.

延伸學習:
玻璃。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%83(瀏覽日期:2017/03/10)。

玻璃的種類與組成。2017。新竹市玻璃工藝博物館典藏作品知識網,http://glassmuseum.moc.gov.tw/web-tw/unit03/modepage/3-4-1.html (瀏覽日期:2017/02/24)。

孫娜、吳俊濤、江雷。2011。貝殼珍珠層及其仿生材料的研究進展。高等學校化學學報,32(10): 2231-2239。

Barthelat, F. 2010. Nacre from mollusk shells: a model for high-performance structural materials. Bioinspiration & Biomimetics, 5(3): 035001-1-8.

Mohammad, S., M. Valashani, and F. Barthelat. 2015. A laser-engraved glass duplicating the structure, mechanics and performance of natural nacre. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 026005-1-11.

2017年4月10日 星期一

『臺博新知』:仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝/國立臺灣博物館

由以色列與美國科學家共同研發的仿生巨骨舌魚(Arapaima gigas)硬鱗魚皮,由硬的剛性不透明白色材料丙烯酸光聚合物(acrylic-based photo-polymer)VeroWhite(簡稱VW)、和類橡膠材料的軟彈性體TangoPlus(簡稱TP)組合成堅韌且硬度高的新型材料。未來可根據個人需求或身體不同部位,例如使手肘和膝蓋位置更有彈性,或加強上半身的防穿透性能,客製化不同強度和彈性等級的局部保護和彈性性能服裝。可研發用於軍方的超輕柔仿生防彈和防刺之野戰軍服,無須重型防彈插板就能有效阻擋子彈、彈片、尖刀的攻擊,且不影響行動;或用於製作新型太空衣,保護太空人避免被隕石、空間碎片、和輻射等傷害。

仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮,可製成野戰軍服或太空衣,有效阻擋子彈、尖刀、和輻射等傷害(繪製者:王美乃)。
與鋸脂鯉亞科(Serrasalminae)的食人魚一樣廣泛分布於南美洲的亞馬遜河,被稱為活化石的巨骨舌魚,最早出現於一億年前,成魚體長可達3公尺,重達200公斤,是世界上大型淡水魚之一,因體型巨大,多採伏擊方式,張開巨口瞬間吸入獵物,或是甩動魚尾擊倒或擊碎獵物骨骼,又名巨滑舌魚、海象、象魚、大頭巨骨舌魚,俗稱巨龍、腰帶魚,屬於條鰭魚綱(Actinopterygii)巨骨舌魚目(Osteoglossiformes)巨骨舌魚科(Osteoglossidae)。魚體由類似天然盔甲般的硬鱗包覆保護柔軟的魚皮和軟組織,仍能靈活地自由彎折和游動,最外層的堅硬魚鱗彼此重疊排列互鎖成波紋結構,可彎曲和扭曲,並分散每片魚鱗被食人魚咬合時的壓力,以減輕損傷,導致即使咬斷微小利齒仍吃不到魚肉的食人魚只好撤退,因此幾乎不會成為獵物。

巨骨舌魚(Arapaima gigas)分布於南美洲的亞馬遜河,類似天然盔甲的堅硬魚鱗能有效防護食人魚的攻擊(圖片來源:歐陽盛芝)。
這項發明由以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)魯迪克(Stephan Rudykh)助理教授,在美國麻省理工學院從事博士後研究時,與該校奧蒂茲(Christine Ortiz)教授、哥倫比亞大學博伊斯(Mary C. Boyce)教授組成研究團隊,於2015年2月在《軟物質》(Soft Matter)期刊發表。研究團隊採用多材料3D列印機Objet Connex500列印上部VW魚鱗層與底部TP魚皮層兩種感光聚合物材料,高度各為5公釐,兩者構成總高度x長度x面外深度為10x150x20公釐的試樣。VW材料列印成白色仿生魚鱗,剛性板厚度0.5公釐,楊氏模量(Young’s modulus,彈性材料承受正向應力時會產生正向應變,在形變量未超過對應材料的彈性限度時,正向應力與正向應變的比值)為1.2吉帕(Gpa,Gpa=109Pa=109N/m2,壓強單位,等於每平方公尺109牛頓);TP材料列印成透明軟基質的仿生魚皮,楊氏模量為0.78 兆帕(Mpa,Mpa=106Pa=106N/m2)。另外為測試複合材料試樣的機械性能,列印組裝成不同變因試樣作為對照組,包括相對於TP層傾斜角為10、20、30、45度,及容積百分率為0.1、0.2、0.3、0.4的VW魚鱗層剛性材料。還有容積百分率為1.0的全硬雙層VW魚鱗、和容積百分率為0.0的同質全軟雙層TP魚皮樣本。

他們用壓痕測試結果計算穿透剛度,結果顯示壓痕力隨VW容積百分率增加而增加,在固定壓痕深度時依VW魚鱗層傾斜角度增加而減少;也因複合材料的不同響應由TP層變形機制控制,VW魚鱗層的低傾斜角度和高容積百分率可提供最大穿透阻力,穿透剛度隨壓痕深度增加而增加,同時降低彈性。以三點彎曲試驗結果估算彈性時,顯示複合材料的彈性隨VW容積百分率的增加、和VW魚鱗層傾斜角的減少而降低;在較小的傾斜角度時,容積百分率增加會導致相對彎曲剛度顯著增加。

由於試樣的彎曲行為幾乎為線性,剛度不會因出現變形顯著變化,但隨VW容積百分率增加、會加強彎曲行為,研究團隊認為VW容積百分率約0.3,對大部分VW魚鱗層的傾斜角度而言,能表現最佳抗穿透性和彈性;並且已製出仿生魚皮彈性僅降低5倍,而整體強度(抗穿透力)提高40倍的仿生硬鱗魚皮。他們還藉由調整VW魚鱗的容積百分率和傾斜角度等參數,改變仿生魚鱗和魚皮的結構、變形及特性條件,例如更動VW魚鱗旋轉、彎曲、和TP魚皮間剪切的機制等,就可組裝成高彈性、強化保護、和靈活性的複合材料。未來將繼續強化魚鱗本身的微奈米結構,或採用較堅硬的材料如超強纖維凱芙拉(kevlar®)製造魚鱗,以達到更強的保護效果。

(以上新聞編譯自2015年2月20日發行之Soft Matter期刊)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

日期:2017/4/6

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

資料來源:
Rudykh, S., C. Ortiz, and M. C. Boyce. 2015. Flexibility and protection by design: imbricated hybrid microstructures of bio-inspired armor. Soft Matter, 11(13): 2547-2554.

延伸學習:
巨骨舌魚。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A8%E9%AA%A8%
E8%88%8C%E9%B1%BC(瀏覽日期:2017/02/24)。

楊氏模量。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9D%A8%E6%B0%8F%
E6%A8%A1%E9%87%8F(瀏覽日期:2017/02/28)。

American Technion Society. 2015. Tough, fish scale-like material with soft flexibility could protect soldiers, astronauts. ScienceDaily, March 12, 2015.

Gray, R. 2015. The body armour inspired by FISH: scaly material could lead to uniforms that can withstand bullets and knives. Daily Mail Online / Science, April 7, 2015.

Howard, B. C. 2013. (Newly re-described) Arapaima: freshwater species of the week. National Geographic / Voices, April 20, 2013.


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