2017年3月27日 星期一

『臺博新知』:仿生縱帶羊魚含鱗魚皮的輕型鎧甲

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

魚類依骨骼組成可分成硬骨和軟骨魚類,其中硬骨魚類的表皮是一種常見的生物材料,具有超薄的膜和簡單堅固的微結構,耐壓力是軟骨魚的七倍,呈現柔順、輕量、和耐穿透等卓越機械性能,用來支撐和保護魚體、增加游泳效率、與避免被獵食者傷害,相當於天然的鎧甲。

仿生縱帶羊魚的合成含鱗魚皮,能製造輕型鎧甲或保護塗層等(繪製者:王美乃)。
美國科羅拉多大學(University of Colorado)韋爾內雷(Franck J. Vernerey)教授和加拿大麥基爾大學(McGill University)巴爾特拉(Francois Barthelat)教授合組研究團隊,2015年2月在《ACS應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊發表一款靈感源自縱帶羊魚(Mullus surmuletus)由類薄鱗(leptoid-like scales)組成的魚皮結構、機械性能和功能性的仿生合成含鱗魚皮,覆蓋在物體表面測試平面、撓曲等各種變形模式作用,仍能保持透明、輕便、柔軟靈活和堅固等機械性能,未來將可用於製造超輕的彈性鎧甲(防彈衣或防彈頭盔),或需具備耐久、耐磨性的軟性電子設備,例如觸覺探針、可植入生物感應器的保護塗層等,也可應用於車輛、飛機、和太空船的智能與自適應變形結構設計。
縱帶羊魚(Mullus surmuletus)的魚鱗具複雜多層結構,可保護魚體並靈活運動(圖片來源:歐陽盛芝)。
縱帶羊魚為硬骨魚類,也是常見的食用魚種,體長15-40公分,最重可達1公斤,屬於條鰭魚綱(Actinopterygii)鱸形目(Perciformes)鬚鯛科(Mullidae),分布於挪威西部至塞內加爾、維德角群島海域等東大西洋區,棲息在深度5-409公尺的沙泥底質海域,以多毛類、軟體動物、魚類等為食。本種含鱗魚皮具有複雜多層結構,自外至內分別為表皮層、基底膜層、真皮層(含stratum laxum和緻密層),其中柔軟的真皮層至少被三層魚鱗覆蓋,以類似疊放屋瓦的空間排列,每片魚鱗被固定或嵌入軟組織的鱗囊,標識魚鱗位置並容許魚鱗旋轉,使魚鱗與真皮層和相鄰魚鱗間相互作用,構成優良的機械性能保護魚體;並且這種重疊的薄片魚鱗,不像連續和剛性的保護性皮膚,當魚游泳運動時,魚皮可依需求彎曲、拉伸、和壓縮;由於魚鱗旋轉、彎曲和覆瓦狀重疊排列,能將施加到單片魚鱗的負載轉移到相鄰魚鱗,把力分散到更大面積上,減少對下層軟組織的局部損傷;若部分魚鱗因外力刺穿、損壞、或脫落等,這種結構也能提供多餘魚鱗備用,儘量維持完整的保護功能。

天然魚皮因具某種程度重疊空間排列、薄但相對堅硬的魚鱗,魚鱗下面是彈性基底膜層和真皮層,在基底膜層中規律分布可插入魚鱗的柔軟彈性囊(即鱗囊),成為機械反應的關鍵。研究團隊依此原則設計和簡化製作仿生含鱗魚皮,以彈性聚丙烯(polypropylene,簡稱PP)製造網孔10.26×5.62公釐的菱形開口網,模仿縱帶羊魚皮膚真皮層,由具1,300兆帕(Mpa=106Pa=106N/m2,壓強單位,等於每平方公尺106牛頓)的彈性模量、半徑0.06公釐,規律重複的正弦曲線纖維組成,泊松比(Poisson's ratio,簡稱ν,指材料受拉伸或壓縮力時會發生變形,其橫向變形量與縱向變形量的比值)縱向0.35、橫向0.26。網格中節點間的纖維橫向和縱向為5.13×2.81公釐。可提供面內彈性並在仿生魚皮變形時維持魚鱗位置,魚鱗可透過PP網旋轉並與相鄰魚鱗相互作用,提供類似魚皮緻密層的硬化反應。

採用醋酸丁酸纖維素(cellulose acetate butyrate,簡稱CAB)製成長、寬、高9.46×12.68×0.20公釐的仿生剛性魚鱗,具有800兆帕彈性模量,泊松比縱向0.25、橫向0.14,規格亦可用PP網的尺寸控制。製作時先沖壓兩個小的相鄰孔到每片魚鱗中心,將魚鱗穿過網孔中的開口,使每片魚鱗的上半部放在網頂,下半部置在網下方,再把魚鱗預製孔與網孔節點對準,最後用棉線將魚鱗縫到PP網的節點固定。模仿真正硬骨魚皮重疊率0.2-0.3,完成以覆瓦狀排列製成重疊率(魚鱗間距與長度)0.19,總面積153.39(橫向)×167.87(縱向)公釐覆蓋690片仿生魚鱗的整塊合成含鱗魚皮。其力學特徵如面內變形(in-plane deformation,拉伸強度)、撓曲(彎曲剛度)、和壓痕(穿刺強度及硬度)模式皆近似天然魚皮,組合不同仿生網及魚鱗材質或尺寸,甚至可超越天然魚皮性能。

研究團隊針對PP網、仿生合成含鱗魚皮、雙層CAB片等三種材料進行拉伸試驗,確認網格幾何形狀可作為設計參數,控制仿生合成含鱗魚皮的異向性(anisotropic)和其行為的線性,並實現剛度和彈性間的最佳平衡。撓曲變形的測試結果證實調整鱗囊(網的節點)的剛度和控制基底(網)厚度,可優化設計的柔軟性能機制。由於力的分布直接取決魚鱗尺寸,較大魚鱗會將力分散到較大面積上,單片魚鱗的中心最厚,具有最高穿刺阻力。在壓痕測試中,顯示合成含鱗魚皮的兩種失效情形,第一種魚鱗失效發生於壓頭刺穿單片魚鱗,造成相鄰重疊鱗片圍繞壓頭旋轉,可藉由限制魚鱗遭受高法向力(即正向力)時的相對運動來解決,例如微隆起可增加魚鱗表面皺紋或粗糙度抑制魚鱗彼此滑動;第二種網格失效又分為魚鱗翹曲、及當魚鱗自身折疊並被推過網格時的單根纖維失效,可改用凱芙拉(Kevlar®)輕質纖維或碳奈米管製網以增強網格材料。研究團隊未來將強化網材,可在壓痕測試期間避免或延遲纖維斷裂,並改變單片魚鱗形狀,防止魚鱗翹曲和被外力刺穿,以及增加魚鱗的彎曲強度,進一步優化設計仿生合成含鱗魚皮,透過光刻或印刷技術,自動化量產更輕、更強韌的鎧甲及其他相關應用產品。

(以上新聞編譯自2015年2月27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:2017/3/23

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生縱帶羊魚含鱗魚皮的輕型鎧甲

資料來源:

Funk, N., M. Vera, L. J. Szewciw, F. Barthelat, M. P. Stoykovich, and F. J. Vernerey. 2015. Bioinspired fabrication and characterization of a synthetic fish skin for the protection of soft materials. ACS Applied Materials & Interfaces, 7 (10): 5972-5983.

延伸學習:

泊松比。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%8A%E6%9D%BE%E6%
AF%94(瀏覽日期:2017/02/22)。

帕斯卡。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%95%E6%96%AF%E5%
8D%A1(瀏覽日期:2017/02/22)。

縱帶羊魚。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B8%B1%E5%B8%B6%
E7%BE%8A%E9%AD%9A(瀏覽日期:2017/02/18)。

Vernereya, F. J. and F. Barthelat. 2014. Skin and scales of teleost fish: simple structure but high performance and multiple functions. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 68: 66-76.



2017年3月20日 星期一

『臺博新知』:新型仿生貝殼碳化硼複合陶瓷防彈衣

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


仿生田蚌(Anodonta cygnea)和紅鮑(Haliotis rufescens)貝殼珍珠質的新型碳化硼(B4C)/聚脲(polyurea)複合陶瓷防彈衣已於2016年1月正式發表,具有優異的防彈穿透性和減震性能,較相同面密度的碳化硼單片式防彈衣爆炸損傷較小、碎片和顆粒速度較低、背面偏差最小(不跳彈)。美國克萊姆森大學(Clemson University)格魯伊契奇(Mica Grujicic)教授領導的研究團隊在《AIMS Materials Science》期刊公布這款新型材料在相同爆炸負荷條件(相同射彈及射入速度),增強防彈穿透阻力的關鍵在於仿生珍珠質微結構特徵(層表面微米級粗糙度、相鄰重疊片層間的礦物橋、碳化硼的奈米結晶度、晶體的聚脲外塗層等)。未來除能製造更優異的防彈衣外,亦可製作更薄、輕、強韌的防彈插板、盾牌、車輛、或戰車鎧甲等,或將此研發結果應用於各種工業陶瓷/彈性珍珠質狀複合材料。

仿生田蚌和紅鮑殼的新型碳化硼材料,可製作複合陶瓷防彈衣(繪製者:王美乃)。

防彈衣防彈原理主要是遭受彈擊時,防彈材料發生破碎、裂紋、衝塞、和多層複合板出現分層等,以吸收射擊彈大量的衝擊能,當材料硬度超過射擊物的衝擊能時就可彈回彈頭而不貫穿,就能吸收和耗散彈頭、破片動能、阻止穿透,用來防禦武器攻擊和防護子彈或彈片對人體的傷害,有效保護人體受防護部位。複合式防彈衣結合軟、硬防彈材質性能,以陶瓷為迎彈面板、金屬為背板,防彈機制為子彈先擊中防彈鋼板、增強陶瓷板或複合板等,利用陶瓷的高硬度、高強度、高彈性來鈍化、侵蝕、碎裂彈體,傳遞衝擊載荷及增大背板吸能範圍,再以金屬背板的韌性和延展性吸收大量彈體動能,來抵抗衝擊和崩落;最後由高性能如尼龍、芳香聚醯胺類合成纖維(例如Kevlar®凱芙拉)、或超高分子聚乙烯纖維(或稱Dyneema®迪尼瑪)等軟質材料吸收和擴散子彈剩餘能量,阻止並降低所造成的貫穿性損傷。目前常用的防彈衣陶瓷材料為俗稱人造金剛石的碳化硼,莫氏硬度9.3,能抵擋大口徑步槍的射擊,比金屬輕且更硬,能使大多數子彈或穿透器變形,但缺點是陶瓷本身的脆性無法抵擋密集攻擊。

因此研究小組模仿的貝殼以田蚌為主、紅鮑為輔,以加強此材料強韌度,增大防彈穿透阻力。田蚌屬於雙殼綱(Bivalvia)蚌目(Unionoida)蚌科(Unionidae),又名天鵝貽貝、蜆河蚌、淡水無齒蚌,本種殼長約10-20公分,形態多變異,從不列顛群島往東到西伯利亞、往南到北非都有分布,棲息於河、湖等淡水水域;紅鮑為腹足綱(Gastropoda)原始腹足目(Archaeogastropoda)鮑螺科(Haliotidae),鮑殼可超過30公分,主要分布於美國加州至墨西哥沿岸。田蚌與紅鮑殼均具有三層結構,最外層為角質層(periostracum layer),由硬蛋白組成;中間層為棱柱層(perismatic layer),由柱狀菱方晶系方解石(calcite,CaCO3)構成;最內層為珍珠層(nacreous layer,又名珍珠質或珍珠母),剛度、韌性和延展性最高,能承受外部衝擊而不會完全喪失結構完整性,含95%斜方晶系文石(aragonite,CaCO3,又名霰石)(直徑5-8 μm,厚200-900 nm,μm=10-6m、nm=10-9m),還有5%有機質(幾丁質與絲蛋白,厚10-50 nm)及極少量水。

圓蚌(Anodonata woodiana)與田蚌同屬,是分布於臺灣的淡水貝和食用貝(圖片來源:國立臺灣博物館,歐陽盛芝重製)。

珍珠質的主要微結構和增韌機制如下:一、文石晶體以有機質橫向黏合成較大晶片,晶片間交錯定位成不規則排列,構成0.3-0.5μm厚的許多六邊形組合薄片層,平均層面尺寸(plane-dimension)與厚度比值為10-20,各層間以有機質黏結堆疊增厚。二、文石晶片層間的有機質層厚20-50nm,並不均勻平整,周邊厚度大於在片層表面中心厚度,因相鄰薄片層的接觸邊有匹配的表面輪廓,故能在受力期間實現層間互鎖滑動,共享應力和能量耗散。三、文石晶片層間的黏合除有機質外,還有礦物橋連接,每個片層表面對應幾個橋,能增加層間互鎖的強度。四、在奈米尺度,文石屬於介晶體(mesocrystal)結構,顆粒尺寸3-10 nm,周圍覆有有機質奈米纖維,可增加片層表面粗糙度,若受力變形時有利顆粒旋轉並增加材料的斷裂韌性和延展性,加上文石晶片以多邊形黏合具互鎖功能,皆能增加片層的抗斷裂滑動。五、各材料分子殼多醣、α-D-葡萄糖(C6H12O6)、碳酸鈣等所在位置會影響微結構機械性能。了解這些構造與機制有助於增加陶瓷材料的非彈性應變和有效儲存、消散能量。


珍珠質因含文石而有高剛度和硬度,其斷裂韌性和拉伸強度的優化則靠:一、受外力所致的彎曲內力,因文石晶片平行於殼面排列,增加受力方向的強度和韌性。二、多級微結構造成裂紋嵌套偏轉,使裂紋擴展路徑呈之字形而增加能量消耗,裂紋尖端的受力變化亦阻滯裂紋的擴展。三、礦物橋結合有機質能增加文石晶片層互鎖、滑動阻力、及抵抗剪切外力,當礦物橋斷裂會形成凹凸不平表面,阻礙繼續變形。四、有機質內的蛋白質鏈連接文石晶片層,蛋白質鏈的拉伸可提供剪切阻力,阻礙裂紋擴展,這種蛋白質的變形有助應力向周圍轉移,克服文石晶片層因應力集中導致的脆斷弱點。

研究團隊透過電腦模擬,以鎢重合金製成的破片模擬彈(直徑和高度為10公釐的實心圓柱體,質量密度每立方公尺19,000公斤)用每秒600公尺入射速度、90度入射角測試防彈衣的防彈插板(trauma plates,又名創傷板),比較原有相同材質面密度的單片碳化硼陶瓷與新型仿生珍珠質結構的碳化硼/聚脲層壓複合陶瓷靶板(長、寬20x20公釐的六角形陶瓷材料,拼接成每層厚2公釐,共7層組成厚14公釐,密度為每平方公分2.52公克),測試不同型態特徵包括表面輪廓、微米級粗糙度、礦物橋、及具所有結構特性者對彈道性能,特別是防彈穿透性和減輕爆炸損傷之差異。結果證明後者優於前者,新型材料的子彈碎片量和平均速度明顯較低,無表面粗糙度和礦物橋的標靶破片模擬彈殘餘/最終速度是每秒31.3公尺,具所有表面輪廓(不規則層疊和多邊形邊界互鎖)、表面粗糙度(增加片層互鎖的奈米級粗糙度)、礦物橋(增加片層連接互鎖)、聚脲晶粒間層厚度(彈性橋連接、裂紋偏轉、破裂能吸收)者可降到每秒5.91公尺,遠低於原有單片碳化硼陶瓷的每秒292.86公尺,顯示絕佳的防彈穿透性,證明新型仿生貝殼珍珠質結構的碳化硼/聚脲層壓複合陶瓷材料優於現有的碳化硼防彈插板。

(以上新聞編譯自2016年1月12日發行之AIMS Materials Science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:2017/3/16

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:新型仿生貝殼碳化硼複合陶瓷防彈衣

資料來源:
Grujicic, M., S. Ramaswami, and J. Snipes. 2016. Nacre-like ceramic/polymer laminated composite for use in body-armor applications. AIMS Materials Science, 3(1): 83-113.

延伸學習:
防彈衣。2017。台灣Wiki,http://www.twwiki.com/wiki/%E9%98%B2%E5%BD%88%
E8%A1%A3(瀏覽日期:2017/02/16)。

防彈衣。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%98%B2%E5%BD%88%E8%
83%8C%E5%BF%83(瀏覽日期:2017/02/16)。

碳化硼。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3%E5%8C%96%E7%
A1%BC(瀏覽日期:2017/02/16)。

蔣持平。2015。貝殼III:貫通尺度之橋。力學與實踐,37(5): 656-658。

Li, X, W.-C. Chang, Y. J. Chao, R. Wang, and M. Chang. 2004. Nanoscale structural and mechanical characterization of a natural nanocomposite material: the shell of red abalone. Nano Letters, 4(4): 613-617.

Lopes-Lima, M., A. Rocha, F. Gonçalves, J. Andrade, and J. Machado. 2010. Microstructural characterization of inner shell layers in the freshwater bivalve Anodonta cygnea. Journal of Shellfish Research, 29(4): 969-973.

Swan mussel. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Swan_mussel (Visit date: 2017/02/16).




2017年3月13日 星期一

『臺博新知』:豹變色龍變色機制啟發新型仿生變色材料

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

科學家已解謎馬達加斯加的特有種、能在30秒內變換豐富體色的豹變色龍(Furcifer pardalis)變色機制,推翻原有變色龍變色機制為化學色的學說,提出全新的化學物理色變色機制。這項發現啟發仿生新型變色材料,拉扯時僅輕微施力就可依需求變換顏色,將開創未來全新顯示與偽裝科技等應用的可能性。研究成果由瑞士日內瓦大學(University of Geneva)米林柯維奇(Michel Milinkovitch)和馬雷爾(Dirk van der Marel)教授合組的研究團隊,於2015年3月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表。
仿生豹變色龍變色機制可開發新型伸縮變色柔性材料,應用於螢幕顯示器、車輛、和建築等(繪製者:王美乃)。

生物表現的顏色可分成化學色(色素色)、物理色(結構色)和化學物理色(複合色)三大類。化學色靠如黑色素、血紅素、葉綠素、胡蘿蔔素等各種色素呈色;物理色由特定波長光線在奈米級結構發生散射、干涉或衍射等作用產生不同顏色;化學物理色則混合前兩類原理共同顯色。以往科學界認為變色龍皮膚具有垂直排列的數層色素細胞,每層控制特定顏色,透過色素細胞的舒張和收縮調和成不同的顏色,依光照、溫度、濕度等因素變換體色,以調節溫度、偽裝、迴避捕食者、吸引配偶或交流訊息,甚至用體色表達情緒或身體狀況。

但是瑞士的研究團隊卻發現豹變色龍皮膚真皮細胞表面具兩層重疊且相輔相成的彩虹色素細胞,內含變色主要關鍵的許多不同形狀、大小和排列的鳥嘌呤(guanine)「奈米晶體」(nanocrystals),這種奈米晶體屬於能控制光的週期結構,亦稱為「光子晶體」(photonic crystals)。其中S彩虹色素細胞(S-iridophores)層依情緒或光照可放鬆或繃緊皮膚,就能改變表層細胞中光子晶體三角形二維晶格距離和間距的排列,光的折射隨即變化,因而變換皮膚顏色。這層之下還有與變色無關、但能幫助豹變色龍保持涼爽的D彩虹色素細胞(D-iridophores)層,細胞內的光子晶體外形相對較大,卻能反射近45%的近紅外線輻射能量,調整這層細胞可瞬間改變對熱量的吸收能力,構成被動體溫調節機制,使豹變色龍能得以移往較為乾、熱、日照強烈的環境,生存於許多不同氣候環境。
豹變色龍(Furcifer pardalis)具有化學物理色變色機制,能迅速變換體色(圖片來源:歐陽盛芝)。
豹變色龍又名豹紋變色龍、七彩變色龍、豹紋叉角避役,屬於爬蟲綱(Reptilia)有鱗目(Squamata)避役科(Chamaeleonidae),吻尾長(snout-tail length,指從嘴尖至尾尖間包括尾部的體長)約22-45公分,原始體色因產地而異,雌雄異型,雄龍體型較大,身體側扁,長尾如同第五隻足,攀爬時能捲曲纏繞樹幹或枝條定位,棲息於潮濕的低地森林,移動速度緩慢,但雙眼可自由轉向形成360度弧形視野;主要獵食昆蟲,能彈出長舌在瞬間(約0.003秒)擊中黏附50公分遠的獵物進食。

S彩虹色素細胞只在成年雄龍皮膚發育完全,雌龍和幼龍的皮膚含量很少,因此只有成年雄龍才會變色,變色主要基於情緒並透過潛意識控制,當欲吸引雌龍或遇競爭對手時即呈現顯著變化。當皮膚放鬆時,S彩虹色素細胞中直徑127.4±17.8奈米(nm=10-9m)的光子晶體因排列緊密,較易反射如藍色的短波長光線;但當皮膚緊繃時,光子晶體排列鬆散且間距增大約30%,變成較易反射如黃色、橙色、和紅色等長波長光線;當皮膚表層反射的藍色和黃色色素細胞混合時會變成可隱蔽在樹葉的綠色;若處於興奮狀態,即使具大量的彩虹色素細胞和紅色素細胞,皮膚表層仍會保持紅色色調不變,但會增加亮度。

D彩虹色素細胞層不參與顏色變化,存在所有性別和年齡的變色龍皮膚,細胞內的光子晶體長200-600奈米、高90-150奈米,排列不規則,呈較大磚形,由於在近紅外線區(700-1,400奈米)具高反射,可篩除多餘熱量。研究團隊也發現高冠變色龍(Chamaeleo calyptratus)、侏儒枯葉變色龍(Rhampholeon spectrum)、和雙角變色龍(Kinyongia matschiei)皆具有兩層彩虹色素細胞,但近親蜥蜴如彩虹鬛蜥(Aqama mwanzae)、鬃獅蜥(Pogona vitticeps)、和馬達加斯加巨日守宮(Phelsuma grandis)並無D彩虹色素細胞層,僅含可產生物理色的單一類型光子晶體彩虹色素細胞層。

加州大學柏克萊分校已根據豹變色龍的變色機制,開始應用研發依不同施力就可改變顏色的伸縮變色柔性膜,他們使用熱氧化物當硬模蝕刻,以氫氟酸蒸汽蝕刻基板釋放高對比亞結構(high-contrast metastructure,簡稱HCM),再用印模轉移法將矽HCM轉移到聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)膜包封柔性HCM製成。未來可廣泛延伸發展,例如經由改變顏色就能偵測建築、橋樑、飛機零件因受壓造成結構疲乏等的變色感應器,也可應用於螢幕顯示器、車輛外觀的主動偽裝、冬季吸熱但夏季隔熱的房屋油漆或材料、變色以反射或傳輸從陽光捕獲熱量的建築設計(阿聯酋已有變色建築)、光照變色牆面或地毯裝潢、更有效的太陽能電池和光學電腦晶片設計、電子皮膚、開水壺、背包等。

(以上新聞編譯自2015年3月10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:2017/3/9

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:豹變色龍變色機制啟發新型仿生變色材料

資料來源:

Teyssier, J, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 6: 6368-1-7 (+6pp. Supplementary Information).

延伸學習:
豹紋變色龍。2017。台灣Wiki,http://www.twwiki.com/wiki/%E8%B1%B9%E7%B4%8B%
E8%AE%8A%E8%89%B2%E9%BE%8D(瀏覽日期:2017/02/14)。

豹變色龍Panther chameleon。2017。物種概述。動物世界,http://www.iltaw.com/
Animal/1023(瀏覽日期:2017/02/15)。

陶瓷工程。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%99%B6%E7%93%B7%
E5%B7%A5%E7%A8%8B(瀏覽日期:2017/02/07)。

變色龍。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%AE%8A%E8%89%B2%
E9%BE%8D(瀏覽日期:2017/02/13)。

Grbic, D., S. V. Saenko, T. M. Randriamoria, A. Debry, A. P. Raselimanana, and M. C. Milinkovitch. 2015. Phylogeography and support vector machine classification of colour variation in panther chameleons. Molecular Ecology, 24: 3455-3466 (+17pp. Supporting Information).

Hennigan, T. 2015. Chameleons’ color of divine wisdom. Answers in Genesis, April 18, 2015.

Zhu, J., J. Kapraun, J. Ferrara, and C. J. Chang-Hasnain. 2015. Flexible photonic metastructures for tunable coloration. Optica, 2(3): 255-258 (+ 3pp. Supplementary Material).

2017年3月6日 星期一

『臺博新知』:仿生紅鮑殼的超強韌碳化矽層狀陶瓷

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

透過改變如陶瓷/聚合物比例、層厚度、連接的陶瓷橋等處理參數,加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)里奇(Robert O. Ritchie)博士領導的研究團隊以冷凍鑄造(Freeze casting)技術,採用層狀或樹枝狀結構的碳化矽(silicon carbide,簡稱SiC)/聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,簡稱PMMA)複合材料,優化仿生紅鮑(Haliotis rufescens)貝殼珍珠質(nacre or mother of pearl,又稱珍珠母)層狀陶瓷碳化矽的強度及韌性,即在脆性的陶瓷材料中加入軟質的耐高溫材料,提高新型陶瓷材料在結構應用中的強韌度,成果已於2015年7月在《Acta Materialia》期刊發表。貝殼珍珠質即珍珠層(nacreous layer),機械性能堅硬、堅固、和堅韌,由具有95-99%(重量百分比)碳酸鈣形成的文石層與1-5%有機層層疊的磚牆結構組成複合材料,與角質層(periostracum layer)和棱柱層(prismatic layer)、同為構成貝殼的主要成分,其奈米結構經常被研發為各種仿生層狀陶瓷,以解決傳統陶瓷容易斷、脆裂的缺點。

仿生紅鮑殼的碳化矽層狀陶瓷超強韌、耐高溫且不易斷、脆裂(繪製者:王美乃)。

紅鮑屬於腹足綱(Gastropoda)原始腹足目(Archaeogastropoda)鮑螺科(Haliotidae),主要分布於美國加州至墨西哥沿岸,為常見的食用貝類,體型較大,鮑殼可超過30公分,是紅鮑的防護裝備,可抵抗壓力和防止柔軟軀體受損,殼背面邊緣有一排用來呼吸、釋放配子、和排放廢棄物的橢圓形小孔,隨著紅鮑生長,會將不用的舊孔填充密封並長出新的開孔,常以腹足牢牢吸附在潮間帶岩石並藏身裂縫或岩石下,主要取食固著的藻類、海帶和浮游生物。本種貝殼厚度約0.6-0.7公釐,最外層是俗稱殼皮的角質層,非常薄(約100-200奈米,nm=10-9m)且較易磨損剝落,成分為又稱介殼素的貝殼硬蛋白(conchiolin);內為兩層不同晶型結構的碳酸鈣(CaCO3),第二層是菱方晶系(rhombohedral)方解石(calcite)構成的棱柱層,厚度約0.3公釐,約佔殼厚的50%;另外約50%殼厚的第三層是結構最強韌的珍珠層,由95%斜方晶系(orthorhombic,又稱正交晶系)文石(aragonite,又稱霰石)晶片、5%有機質(幾丁質與絲蛋白)和極少量的水組成。
紅鮑(Haliotis_rufescens)貝殼珍珠質,具有獨特的軟硬交替多層微結構,形成堅硬、堅固、和堅韌的機械性能(圖片來源:國立臺灣博物館,歐陽盛芝重製)。

軟體動物的貝殼為「礦化組織」(mineralized tissues),是一種典型的「生物礦化」(biomineralization)過程,即生物在體內產生礦物質,透過有機分子可在奈米尺度精確控制體內無機礦物的結晶行為。雖然貝殼珍珠層含95%普通陶瓷碳酸鈣,但綜合力學性能。如強度為130百萬帕(Mpa),其斷裂韌性(指材料在衝擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力)為1 kJ m-2,比純碳酸鈣晶體高三千倍。以高倍電子顯微鏡觀察,文石晶片呈六邊形,由晶體聚集而成,直徑約5-8µm(=10-6m),厚約0.4µm,其碳酸鈣晶體長、寬為200x100奈米,且含大量雙晶體,位於碳酸鈣晶體界面上的有機質尺寸僅約10奈米,屬於一種天然的陶瓷基複合材料。文石晶片就如同築牆的磚塊,由類似水泥的有機質黏合,交叉疊層,文石晶片層表面具許多微突起的礦物橋,連接層與層間,和有機質共同黏結堆砌成非常整齊的「磚和水泥」(brick-and-mortar)微結構,這種獨特的軟硬交替多層結構側面近似磚牆,層面則與多晶體的金屬及合金相似,使貝殼珍珠層具備優異性能。

陶瓷材料是經過成形、燒結製成的無機非金屬材料,傳統材料從地球原有的黏土資源萃取而成,如黏土、氧化鋁、和高嶺土等;新型材料主要以高純超細人工合成的無機化合物為原料,採用精密控制工藝燒結製成,主要成分為氧化物、氮化物、硼化物、和碳化物等,原子間鍵結主要是共價鍵和離子鍵,因此比金屬材料的原子間以金屬鍵鍵結具有更佳強度。近年來已研發出比金屬輕,兼具高溫穩定性、耐腐蝕、高抗壓強度、耐磨損等性能的「結構陶瓷」,已廣泛應用於耐磨元件、車削刀具、熱交換器、引擎元件、生醫、軍事及太空上。常用的結構陶瓷材料之一為碳化矽,其硬度、耐熱性、耐氧化性、耐腐蝕性及高導熱性更佳,因熱傳導係數較高,適合作為攝氏1,300-1,400度環境的高溫型熱交換器,被廣泛用於製造機械工程結構件和化學工程密封件等,同時可應用於強酸、強鹼、高磨耗、高溫、航太等極端條件的環境。

研究團隊開發的仿生層狀陶瓷採冷凍鑄造技術,以冰模製造具有層狀或樹枝狀結構特徵的多孔SiC框架,浸潤在PMMA中滲透,產生陶瓷含量(體積百分比40-60%)、薄片厚度(5-35μm)、和在各薄片間陶瓷橋(仿生鮑貝礦物橋)不同數量組合的複合材料。當以三點彎曲試驗測試,隨陶瓷含量增加其彎曲強度增加,對裂紋生長的抗性(韌性)則與PMMA含量成正比;陶瓷含量相同時,形態參數m越小其強度越高;當受到應力時,複合材料中的裂紋會擴展及偏移,產生陶瓷壁的脆性晶間斷裂和聚合物層的廣泛塑性變形,呈現清晰的撕裂和拉伸,但在薄片表面的陶瓷橋被破壞前,橋接能穩定SiC和PMMA間界面。如果在製造SiC框架時改變冷卻速率和懸浮固體含量等參數,也會影響複合材料的厚度和孔隙形態,凍結(-15℃)速度亦導致從大片層到小樹枝狀晶體的冰模形態變化。

傳統複合材料韌性的增加通常與強度的降低有關,新開發的SiC/PMMA複合材料具有較高韌性、但強度卻等於或略低於現有碳化矽陶瓷商品Hexoloy SA,因此可證藉由改變陶瓷形態構成層狀或樹枝狀層橋接,就能增加強度與韌性。未來透過精細調整和控制加工處理參數,將能製造期望機械性能(特別是韌性)的碳化矽複合材料結構;若組合不同結構陶瓷或其他材料,可改良陶瓷機械性能或功能性用途,提升能源使用效率,降低器件耗損,創造出更強、更堅韌、更輕、可持續的智能複合材料,運用於汽化管道、熱電偶套管、燃燒器零件、高效能發動機、坩堝、耐火材料及熱交換器、發熱體、研磨材、和在超過攝氏3,300度運作的渦輪發動機等,甚至製成可抵擋大口徑步槍射擊的防彈背心。

(以上新聞編譯自2015年7月9日發行之Acta Materialia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:2017/3/2
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生紅鮑殼的超強韌碳化矽層狀陶瓷

資料來源:
Naglieri, V., B. Gludovatz, A. P. Tomsia, and R. O. Ritchie. 2015. Developing strength and toughness in bio-inspired silicon carbide hybrid materials containing a compliant phase. Acta Materialia, 98: 141-151.

延伸學習:
李京桓、黃肇瑞。2013。生活化的結構陶瓷。科學發展月刊,(481): 60-65。
段維新。2004。以大自然為師:仿生陶瓷。科學發展月刊,(375): 12-15。
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。
陶瓷工程。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%99%B6%E7%93%B7%
E5%B7%A5%E7%A8%8B(瀏覽日期:2017/02/07)。
Biomineralization. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Biomineralization (Visit date: 2017/02/09).
Guo, D.-J. 2011. Microstructure and crystallography of abalone shells. Master thesis, School of Geographical and Earth Sciences, University of Glasgow, 108 pp.
Marin, F., N. L. Roy, and B. Marie. 2012. The formation and mineralization of mollusk shell. Frontiers in Bioscience S4, 1099-1125.
Naglieri, V., H. A. Bale, B. Gludovatz, A. P. Tomsia, and R. O. Ritchie. 2013. On the development of ice-templated silicon carbide scaffolds for nature-inspired structural materials. Acta Materialia, 61: 6948–6957.
Red abalone-Haliotis rufescens. 2017. Encyclopedia of Life, http://eol.org/pages/620396/
details (Visit date: 2017/02/10).

2017年2月27日 星期一

『臺博新知』:仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行

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


南韓首爾國立大學(Seoul National University)仿生機器人實驗室(Biorobotics Laboratory)趙(Kyu-Jin Cho)副教授領導的研究團隊與美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)仿生系統實驗室(Biomimetic Millisystems Laboratory)費林(Ronald S. Fearing)教授合作,於2016年5月在2016 IEEE國際機器人與自動化大會(International Conference on Robotics and Automation,簡稱ICRA)發表一款仿生美洲家蠊(Periplaneta americana),兼仿生直翅目(Orthoptera)昆蟲向上跳躍能力的機器蟑螂JumpRoACH,具有長方形機體和六足,重量僅59.4公克,最高爬行速度可達到每秒0.62公尺,還能彈跳達1.10到1.62公尺高度,跳躍距離為0.6公尺,當機體上方加裝可開合雙翅的橢圓形外殼,能在空中完成翻越等高難度動作,即使不小心翻肚也能靠打開雙翅翻正,繼續向前行走或向上跳躍。跳躍後未必能以六足朝下的正確姿態著陸,但可像真正的蟑螂打開翅膀,自行從側面或背面翻轉回來,因此若從高處掉落也不會受損。

仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行,也能自我翻正(繪製者:王美乃)。

美洲家蠊為蜚蠊目(Blattaria或Blattodea)蜚蠊科(Blattidae)的昆蟲,分布很廣,是室內常見的居家害蟲和衛生害蟲,體型小、動作快、擅走能飛,也是跑最快的昆蟲之一,無論壓縮躲藏或鑽縫爬牆,幾乎無所不在;而蝗蟲、螽蟖、蚱蜢、蟋蟀等直翅目昆蟲遍佈全世界,通常具有發達的後腿,擅於跳躍比身體長數十倍的距離,用來覓食及躲避天敵。研究團隊觀察發現直翅目的昆蟲和半翅目(Hemiptera)的沫蟬,在行走時配合跳的動作,不僅可快速向前或向上一段距離,也能輕易跳躍障礙物,即使因跳躍導致軀體翻面,也能迅速翻正姿態。因此綜合模仿蟑螂和蝗蟲的優點,將跑步與跳躍等技能結合成為多模式運動方式,使微型機器人的運動更高效快速。

美洲家蠊(Periplaneta americana)跑得很快,會壓縮躲藏、鑽縫爬牆、飛行跳躍,為家戶常見害蟲(圖片來源:歐陽盛芝)。

研究團隊開發出新型彈跳機制,具有增強的儲能能力和可調跳躍高度的主動觸發器,由可折疊與展開的捲動暨滑動關節接頭、類似人類膝關節的菱形四連桿機構組成,可控制JumpRoACH跳躍程度從微幅到3公尺彈射的垂直跳躍。他們將跳躍組件整合組裝在費林教授2009年發明的輕量級「動態自主爬行六足機器人」(Dynamic Automonous Sprawled Hexapod,簡稱DASH)機體中心長、寬、高為10×2×3.5公分深的空間內,改善以往大多數小型跳躍機器人使用彈簧與閂鎖(spring mechanism with a latch)機制,因依二進制(binary)由閂鎖控制彈簧捲起或彈開,無法控制跳躍高度及距離的問題。

DASH長、寬、高為10×5×10公分,重16.2公克(含1.8公克的3.7伏特50亳安鋰聚合物電池),以可縮放的智能複合材料製造(Smart Composite Manufacturing,簡稱SCM),並使用電子封裝一個微控制器、馬達驅動器、和藍芽通信模組製成無線操作控制,可模仿昆蟲的交替三角架式步態行走,經測試能以每秒爬行1.5公尺距離的速度持續運動40分鐘;若從28公尺高處摔落混凝土地面,即使衝擊速度達每秒約10.3公尺,仍未損壞且保持正常運作。

當JumpRoACH爬行或移動時,連桿被壓縮,八條乳膠橡膠帶以最大限度儲存能量,並根據跳躍的目標以直流馬達主動觸發齒輪、調整滑輪鋼絲捲線長度和儲存或釋放能量,使機器蟑螂能夠控制跳躍的離地速度及高度,直流馬達同時驅動因翻轉所加裝的雙翅背板外殼。機器蟑螂跳最高時,馬達完全纏繞滑輪線、以儲存更多能量;進行低跳時,馬達減少繞線長度、且僅壓縮部分跳躍組件,若被壓縮至小於3.5公分時,跳躍結構未接觸地面,JumpRoACH可正常爬行。爬行速度和離地速度是獨立控制,當爬行速度為每秒0.63公尺,且離地速度為每秒4.52公尺時,可跳躍1.1公尺,並能克服0.8公尺高的障礙物。但JumpRoACH尚無法精確掌握跳躍的距離及高度,偶爾會撞到桌角摔得解體、無法展現翻身技巧;而加裝的雙翅背板也可能因滑翔增長跳躍降落的移動距離,卻未達飛翔功能,因此將繼續研究改善。

未來仿生機器蟑螂JumpRoACH預期將可在地震或火災發生時,克服障礙和崎嶇地形,擴大運動領域,降低運輸成本,鑽進災區瓦礫堆中進行環境偵測及搜救受困者,或直接跳到上層廢墟執行任務,延伸偵防和救難範圍並縮短所需時間,亦可運用於危險區域例如核災現場探勘測繪,甚至可被大規模應用到體型較大的機器人系統或設備,執行太空外星探索等任務。


(以上新聞編譯自2016年5月發行之2016 IEEE ICRA會議論文)

(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:2017/2/23

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行

資料來源:

Jung, G.-P., C. S. Casarez, S.-P. Jung, R. S. Fearing, and K.-J. Cho. 2016. An integrated jumping-crawling robot using height-adjustable jumping module. 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2016, 4680-4685.

延伸學習:

Ackerman, E. 2016. Cockroach robot flips itself with insect-inspired wings. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, November 17, 2016.

Birkmeyer, P., K. Peterson, and R. S. Fearing. 2009. DASH: a dynamic 16g hexapedal robot. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE 2009, 2683-2689.

Li, C., C. C. Kessens, A. Young, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2016. Cockroach-inspired winged robot reveals principles of ground-based dynamic self-righting. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), 2128-2134.




2017年2月20日 星期一

『臺博新知』:防黏抗污的仿生豬籠草聚合物微球陣列表面

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

食蟲植物豬籠草的科學研究非常多,其中仿生的重點多針對捕蟲籠籠口唇部,並得到許多重要的成果,但緊鄰唇部且影響捕蟲機制的「蠟質區」(waxy zone),也是非常重要的仿生對象。德國歐斯納布魯克大學(University of Osnabrüeck)史坦哈特(Martin Steinhart)教授所領導的跨校研究團隊,2016年3月在《生物靈感與仿生學》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊發表一款仿生翼狀豬籠草(Nepenthes alata)蠟質區的單片聚合物微球陣列(monolithic polymer microsphere)表面,可用於防黏附抗污、抵制灰塵、污垢、及昆蟲,甚至應用於汽車的煞車系統和鈔票的觸覺安全標識等。

仿生豬籠草的聚合物微球陣列表面能防黏附抗污和抵制灰塵,可應用於汽車煞車系統和鈔票觸覺安全標識(繪製者:王美乃)。
翼狀豬籠草的蠟質區又名「溜滑區」(slippery zone),位於捕蟲籠的上半部,包括三種不同的水平分層排列結構,具不同的物理機制,可降低昆蟲的黏附。底層是較大且突起的非等向性(anisotropic)「半月細胞」(lunate cells),長、寬、高為35.5x7.21x9.41微米(=10-6m,μm),以每平方公釐約480個細胞密度規則散佈在扁平的上皮細胞間,半月細胞彎月形開口排列向下,即籠底方向;兩種類型細胞上面覆蓋的是第二層由縝密蠟晶體組成的「下層蠟」,類似屋瓦排列的固態泡沫,由互連的膜狀片晶(platelets)以某些銳角從表面突出,高度0.81微米,機械性相當穩定;第三層是密集的板狀(plate-like)蠟晶體所構成高度3.03微米的「上層蠟」,含有分開的不規則片晶,透過細長柄晶(stalks,直徑0.12微米,長0.80微米)連接到下層蠟,極易斷裂。

兩層蠟以相同化合物組成,但下層蠟較硬、較黏,上層蠟較脆、較易破碎剝離,兩者均具超疏水性,幾乎不會被水和乙二醇(ethylene glycol)等極性液體(親水的)弄濕,但對非極性(疏水的)液態二碘甲烷(diiodomethane)的接觸角卻有顯著差異;蠟質區因被微小蠟晶體連續覆蓋,故產生2微米的附加粗糙度(平均粗糙度Ra=1.909微米,均方根粗糙度rms=2.378微米)。

研究團隊使用半球形有黏性的聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作為探針,測試二星瓢蟲(Adalia bipunctata)和七星瓢蟲(Coccinella septempunctata)在蠟質區的黏附力量,發現昆蟲在蠟質區的黏附力、較去除兩層蠟的無蠟質表面明顯降低,兩層蠟層對昆蟲的拉脫力量(pull-off forces)則相近。昆蟲行走時通常以足爪和表面互鎖並用黏附足墊接觸,有些物種的足墊還會分泌液體黏附表面,由於瓢蟲足最先接觸的捕蟲籠蠟質區上層蠟易碎,造成其黏附足墊被蠟晶體沾黏污染,踏到下層蠟的粗糙度又使足墊實際接觸面積減少、無法固定,若想以足爪下錨鎖住表面,卻因方向倒置且具突出邊緣的半月細胞讓牠們只能向下定向移動,無法朝上逃出捕蟲籠,導致牠們只能掉落或走向籠底消化液中,成為豬籠草的食物。

翼狀豬籠草(Nepenthes alata)捕蟲籠蠟質區的三種分層排列結構,讓昆蟲只能向下走或滑落(圖片來源:林士傑)。

史坦哈特教授從這種機制設計仿生表面,特別著重粗糙度效應,採用雙重複製程序,首先準備微球主模具,再翻模製造機械性穩定且近似半月細胞直徑和規則排列的單片聚苯乙烯(polystyrene,簡稱PS)微球單層表面(直徑幾十微米),以浮花壓製法(embossing)將單片PS微球表面緊密連接到20×20公釐的底層基板上,並在PS微球表面壓出微形似圓球的凹凸花紋,產生大面積的仿生抗黏附表面。

他們製備半徑12.5、22.5、37.5、45.0微米的不同量級仿生表面,再以蝕刻法製出直徑幾百奈米的PS奈米棒陣列,在表面上產生第二層分層結構層。實驗得知當微球直徑為20-80微米範圍時,皆能防止黏附行為,表面黏附力(Fad)會隨PS微球陣列級別的表面形貌(topography)減少實際接觸面積、造成黏性降低。當進一步試驗表面對細胞的抗黏附性,將生長迅速的表皮癌細胞-海拉細胞(Hela cell)分別在PS薄膜、未改性(即平滑微球表面)、和半徑12.5微米經熱浮花壓製單片PS微球陣列表面上培養48小時,結果細胞以每平方公分將近8x105個密度長滿PS薄膜,而經壓製處理過的PS微球陣列表面則因微球上壓出的凹凸花紋產生物理障礙,干擾蛋白質吸附或黏附點形成,顯著減少細胞的生長密度及厚度,展現抗污染性質。

這款仿生單片聚合物微球陣列表面乾濕皆宜,能防止黏附及抵抗污染,未來希望能放大尺度,以大面積量產,可預見將能減少手術後沾黏和微生物感染等,也可應用於汽車的鼓式或碟式煞車系統,減少冬季或惡劣路況下,因為水、灰塵、泥沙等污染造成腐蝕或鏽蝕卡澀等使汽車滑動困難或卡死,提高行車安全性。此外,澳大利亞儲備銀行2016年9月在新版澳洲紙幣加入一種憑觸覺即可辨識的有效和耐用標記,除了防偽作用外,還能幫助視障者識別不同面額的鈔票,因此日後運用這種仿生微球的陣列排列方式和微粗糙度特性可作為鈔票的觸覺標識。

(以上新聞編譯自2016年3月17日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊等)

(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:2017/2/16
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:防黏抗污的仿生豬籠草聚合物微球陣列表面

資料來源:
Erichler-Volf, A., A. Kovalev, T. Wedeking, E. V. Gorb, L. Xue, C. You, J. Piehler, S. N. Gorb, and M. Steinhart. 2016. Bioinspired monolithic polymer microsphere arrays as generically anti-adhesive surfaces. Bioinspiration & Biomimetics, 11(2): 025002-1-11.

Gorb, E. V., M. Baum, J. Purtov, N. Jacky, S. N. Gorb, G. T. Rengarajan, A. Volf,and M. Steinhart. 2014. Tropical pitcher plant and biomimetics. Lab & More, 3: 22-26.

Gorb, E. V. and S. N. Gorb. 2011. The effect of surface anisotropy in the slippery zone of Nepenthes alata pitchers on beetle attachment. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2: 302-310.

延伸學習:
Gorb, E. V., J. Purtov, and S. N. Gorb. 2014. Adhesion force measurements on the two wax layers of the waxy xone in Nepenthes alata pitchers. Scientific Reports, 4: 5154-1-7.

Gorb, E. V., M. J. Baum, and S. N. Gorb. 2013. Development and regeneration ability of the wax coverage in Nepenthes alata pitchers: a cryo-SEM approach. Scientific Reports, 3: 3078-1-6.





2017年2月13日 星期一

『臺博新知』:會翻身的仿生有翅機器蟑螂

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

小型快速運行的機器人如果遇到障礙物或踩到凹凸處,可能因重心不穩而摔倒翻肚,卻無法像動物或昆蟲可藉助身體、四肢、六足或翅膀設法翻轉復原,只能原地空轉,耗盡動力被迫中斷任務。但美國科學家們已經研發出一款仿生盤狀蜚蠊(Blaberus discoidalis)的六足機器蟑螂,具有一對可開合背板的翅膀,當遇遭複雜地形導致跌倒翻轉成腹面朝上時,可利用有翅的橢圓體型優勢,模擬真實蟑螂翻轉恢復正常,實現動態自我適應與矯正,即使在電量不足時也能設法翻正、持續運行,完成既定任務。
仿生盤狀蜚蠊的有翅機器蟑螂能夠翻身轉正,實現動態自我適應與矯正(繪製者:王美乃)。

被科學家當成設計機器蟑螂運動學基礎的盤狀蜚蠊,原產於中美洲和墨西哥,在美國等地常被人工飼養繁殖當成寵物飼料。又稱為盤狀蟑螂、熱帶蟑螂、海地蟑螂、偽死人頭蟑螂,屬於蜚蠊目(Blattaria或Blattodea)匍蠊科(Blaberidae),本種前胸背板有死人頭(骷髏頭)圖案,外形類似死人頭蟑螂(B. craniifer)。成蟲體長約3.5-4.5公分,若蟲無翅,成蟲有翅、卻很少飛,也無法攀爬光滑垂直表面,運動速度比美洲家蠊(Periplaneta americana)慢、且相對效率低,較容易觀察和試驗。研究團隊發現動物的自我矯正行為很複雜,盤狀蜚蠊翻倒時,大部分以翅膀和身體彎曲姿勢翻轉恢復,翻正速度達平均每秒1.6次。而機器蟑螂雖可利用完整的橢圓形背板以各種姿勢穿越地面障礙,但若因此翻倒變成六足朝天,就會被困住無法翻身,因此模仿其技巧,實現和理解使用翅膀的自我矯正機制。


盤狀蜚蠊(Blaberus discoidalis)很少飛且運動速度較慢,翻倒時仍可快速翻轉恢復正常姿勢(圖片來源:歐陽盛芝)。

仿生的有翅機器蟑螂重100公克,長、寬、高為18x12x3公分,採用去除六足的VelociRoACH蟑螂機器人之機體(長、寬、高為11x6.5x3公分),加裝馬達、變速器,再模仿盤狀蜚蠊使用翅膀的自我矯正機制,將厚卡片紙完整背板切成兩半並加裝驅動器,設計和仿製出雙翅可閉合及打開的橢圓形外殼翅膀。以智能複合微結構製造技術開發3D列印的兩個自由度(degree-of-freedom,簡稱DoF)關節接頭和四連桿傳動,接頭將翅膀連接到機體的前端。第一個自由度允許翅膀基部傾斜,第二個自由度使翅膀滾動到底座的中線,兩個伺服馬達可透過相同或獨立的控制信號驅動對稱或不對稱的打開雙翅,讓翅膀以類似蟑螂的方式移動,當完全閉合時形成橢圓形外殼就類似真實蟑螂,確保機械蟑螂能利用橢圓的背板模擬翻正。

機器蟑螂的自我矯正性能取決於影響其動作的翅膀打開幅度、速度、同步性、不對稱性、和翅膀形狀。測試結果發現,機器蟑螂的雙翅打開的速度越迅速、向外延伸幅度越大,就越快成功翻正;即使當電池電量較低,不對稱打開翅膀、展翅幅度較小時,依然有機會完成翻正動作。由於翅膀的開合是動態行為、並使機器蟑螂變形,因此能隨時利用動能翻越障礙,依此可設計出最合適的翅膀形狀,並能精確控制其開合達到預期效果,這種解決方案的成功率和速度都比現有的復原機制高,達成蟑螂機器人實現透過地形動力學(terradynamic)自我矯正、穿越各種障礙物等多種運動功能,不用再耗時費心設計變形外殼、轉移重心、被動旋轉、或重組機身等方式來躲避障礙。

這款仿生有翅機器蟑螂由美國約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)李(Chen Li)助理教授、美軍研究實驗室(United States Army Research Laboratory)、及加州大學柏克萊分校共同合作,2016年10月在IEEE/RSJ智能機器人與系統國際會議(International Conference on Intelligent Robots and Systems,簡稱IROS)發表,將可視指令穿越崎嶇不平或混亂的地形地貌,如沙漠、森林、高山、倒塌建築瓦礫和碎片,不用擔心遭遇靜態和動態不穩定性和旋轉擾動、無法產生適當的地面反作用力,而造成翻倒和失去移動性的風險,故將擁有翻山越嶺的能力,可在救災時發揮奇效,並幫助人們執行環境監測、偵察、搜索和救援,以及外星探測等重要任務。

未來研究團隊將以此基礎研發新的實驗工具和理論模型,研究機器人和昆蟲在現實世界中的地形適應反饋機制,用以設計和控制全地形機器人,並擴及空中和水中機器人的應用。

(以上新聞編譯自2016年10月發行之2016 IEEE/RSJ IROS會議論文等)

(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:2017/2/9

本單元學術名稱:生物醫農>動物學

標籤:會翻身的仿生有翅機器蟑螂

資料來源:

Li, C., C. C. Kessens, A. Young, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2016. Cockroach-inspired winged robot reveals principles of ground-based dynamic self-righting. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), 2128-2134.

Li, C., T. Wöhrl, H. K. Lam, R. J. Full. 2015. Fast, flipping cockroaches: dynamic, self-righting behavior. Society for Integrative and Comparative Biology, 2015 Annual Meeting, 55: E111.

延伸學習:

Ackerman, E. 2016. Cockroach robot flips itself with insect-inspired wings. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, November 17, 2016.


Blaberus discoidalis. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Blaberus_discoidalis  (Visit date: 2017/01/13).

aldane, D. W., K. C. Peterson, F. L. G. Bermudez, and R. S. Fearing. 2013. Animal-inspired design and aerodynamic stabilization of a hexapedal millirobot. Proceedings of the 13th International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2013), International Foundation for Autonomous Agents and Multiagent Systems, 3279-3286.

Li, C., A. O. Pullin, D. W. Haldane, H. K. Lam, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2015. Terradynamically streamlined shapes in animals and robots enhances traversability through densely cluttered terrain. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (4): 046003-1-24.













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