2017年8月19日 星期六

『臺博新知』:仿生蝙蝠(四):回聲和壓力感應的導盲帽

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
賴婉婷/國立臺灣博物館研究組

德國科學家根據蝙蝠回聲定位原理,把以視覺或聽覺顯現的聲納系統,加上壓力偵測,開發出仿生頭戴式感覺裝置導盲帽(Proximity Hat),重量為300公克,外形可更換為工作帽、皮帶、或手環等多種型式,將可協助視障者行動,或應用於其他視線難辨的場所,例如充滿濃霧、濃煙、或黑暗未知的危險空間,協助消防人員和救災人員進入倒塌破損的建築物內救助受困者,也有助於洞窟探險或太空探勘等任務。由卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)貝格(Michael Beigl)教授領導的研究團隊於20159月在《國際可穿戴電腦研討會》(International Symposium on Wearable Computing)發表。
仿生導盲帽是模仿蝙蝠回聲定位及偵測壓力感應研發(繪製者:黃正文)。
蝙蝠能夠在夜間快速飛行活動,白天大多用後肢倒掛在樹枝、洞穴石壁、或建物中休息,是屬於翼手目(Chiroptera)的哺乳動物,分布很廣,除南極洲外幾乎遍及全球。以優異的聽覺最為著名,口中能夠發出人耳無法聽到的超音波,當接觸障礙反射回來,再以靈敏的耳朵接收這些回聲,傳遞訊息到大腦,判斷物體的距離、方向、和形狀,分析障礙物和自己本身的相對位置,建構出活動空間的立體地圖,不但不會撞到東西,還能準確飛抵目的地和執行覓食、求偶等各項活動。
葉鼻蝠在夜間飛行是靠回聲定位建構環境的立體地圖(圖片來源:歐陽盛芝)。
仿生導盲帽具有6個長、寬為5×5平方公分的超音波感應器、電池、和壓力墊等,感應器透過短帶狀電纜連接到電源及位於磁頭頂部的處理板,整個裝置組合成可戴在頭上的帽子,並配置容易打開和關閉的切換開關。每個超音波感應器偵測頻率達每秒50次,範圍從距離幾公分到幾公尺,掃瞄所有水平方向的空間、並涵蓋各個角度的障礙物,擁有360度無障礙視線與良好觸覺靈敏度。碰到障礙物後回彈的聲波觸動壓力墊給配戴者頭部特定壓力訊號,根據壓力大小測知物體的遠近距離,離障礙物越近、壓力越大,得到環境的相對空間地圖,建立環境立體空間感,以防止碰撞跌倒受傷。
研究團隊招募1321-32歲、平均25.5歲的志願者進行靈敏度和感知力、迴避碰撞、空間理解、導航、及背景處理五項測試。靈敏度和感知力測試係讓受測者坐著接受不同的壓力刺激,結果偏移量非常接近理想零線,呈現很高的準確性,僅一位受測者有痛覺,因此校準所有測試的導航帽壓力值以消除差異;迴避碰撞測試讓受測者先在房間走動5分鐘習慣反應刺激後,再戴眼罩遮擋視覺進入房間,儘量走近牆壁停住、不得接觸牆面,結果最小距離為5公分,平均距離約25公分,有兩位的平均距離較大、各為4755公分;空間理解試驗在方形房間的中心旋轉戴眼罩的受測者、使其迷失方向感,需在無碰撞情況找到敞開的門口出去,結果分辨率很低,39人次中僅有24人次於平均126秒內至少一次找到出口,部分在40秒內完成,雖然大多數受測者是沿著牆壁找到出口,但也有聽到出口傳出的聲音引導才找到,表示導盲帽不會影響使用者的聽覺。
導航測試則將戴眼罩的受測者帶到L形走道的一端,根據口頭指揮前行,再轉彎走進特定的門內,結果26人次中只有22人次(85%)完成測試,僅15人次(57%)找到正確的門,平均花費時間為159秒,大部分在轉彎時迷路,無法判斷正確行進方向、且發生輕微碰撞,分析原因係快速移動時回傳的訊號延遲,致使部分受測者無法分辨牆和門的壓力訊號差異,6個超音波感應器仍有死角,受測者必須轉頭才能偵測;背景處理測試要求受測者走完全長30公尺的筆直通道、並指出經過的每一道門,過程中會出現其他行人、請受測者計算簡單的數學問題以分散注意力,結果顯示受測者對空間仍存有陌生感、而無法選擇正確行進方向,導致遲疑、停止走動,但最後經過多次碰撞後都能完成任務,平均花費192秒。
測試結果顯示壓力可傳達細緻的信號,但是個人差異會影響使用經驗,尤其在陌生空間,戴上導航帽只靠幾句口頭指導無法達成任務,受測者對環境的空間理解會影響適應速度,需要更詳細映射空間導航,導航帽必須在不影響使用者步行速度的情況下,更快偵測和反應以得到更直接的體驗訊號;室內和戶外環境也有明顯差異,需要重新計算超音波感應器的最佳位置,以避免死角,達到完整覆蓋率;且當受測者沿著牆壁行走,會造成左右信號不對稱的問題,加上轉彎後如何正確定向導航、感應器故障時的備案等問題,都顯示導航帽仍須進一步優化,或於使用前施行教育訓練,應可加速使用者的適應期。
研究團隊認為未來導盲帽若搭配全球定位系統(Global Positioning System,簡稱GPS)與語音指導,有助於提升在陌生空間的導航效果,尤其是最新的定位技術和藍芽耳機,效果更佳。並且做為頭戴式裝置,還需要更複雜計算支援的應用,例如流動計算(mobile computing)、環境智能(ambient intelligence)、普適計算、電源管理(power management)、散熱片、軟體架構、無線和個人區域網路等整合應用;在硬體方面得研發加裝微型感應器、省電CPU、和高耐久的電源等。
以上新聞編譯自2015911日發行之International Symposium on Wearable Computing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:2017/07/25
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生蝙蝠(四):回聲和壓力感應的導盲帽
資料來源:
Berning, M., F. Braun, T. Riedel, and M. Beigl. 2015. ProximityHat- a head-worn system for subtle sensory augmentation with tactile stimulation. Proceeding of the 2015 ACM International Symposium on Wearable Computing (ISWC), 31-38.
延伸學習:
吳中信。2005。蝙蝠的回聲定位。科學教育月刊(276): 11-15, 27
Engineering 360 News Desk. 2016. Hat helps visually impaired sense proximity to objects. Engineering 360 (Powered by IEEE GlobalSpec), February 23, 2016.
ICT News editor. 2016. Proximity hat- cap-guide for blind people. ICT News, January 30, 2016.
Karlsruhe Institute of Technology. 2016. Feeling spaces with the “proximity hat”. ScienceDaily, January 28, 2016.

『臺博新知』:仿生蝙蝠(三):能走擅飛的機器蝙蝠DALER

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
賴婉婷/國立臺灣博物館研究組

瑞士與義大利科學家模仿吸血蝠Desmodus rotundus除了飛行、還能在地面行走的特性開發可展開式空陸兩用探測機器蝙蝠DALERDeployable Air-Land Exploration Robot),翼展72公分、重393公克,機翼可摺疊部分長度分別是61117公分,最小收縮區段到6公分,對應至翼展減少30%,機翼摺疊縮小後至翼身寬度僅50公分,步行的最大步蝠為6公分,可穿越9公分縫隙,行走在木質地板上的最大向上坡度為9度,最大旋轉角度每秒24度,15秒可完成360度完整旋轉;在空中的巡航速度為每秒12公尺,可飛20分鐘,最大俯仰和滾轉角度分別為每秒120度和180度。
吸血蝠啟發設計空陸兩用探測機器蝙蝠DALER(繪製者:黃正文)。
DALER將可攜帶攝影鏡頭和偵測設備,走到障礙物底下,快速行進空中看不見的特定區域,擴展地面覆蓋範圍,搜索受困在塌陷建築物中的受害者,或進行危險環境監測、繪製地圖等任務,研究成果由洛桑聯邦理工學院(École polytechnique fédérale de Lausanne)佛洛里阿諾(Dario Floreano)教授與比薩聖安娜高等大學(Scuola Superiore SantõAnna)合組的跨國研究團隊於20151月發表在《生物靈感與仿生學》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊。
吸血蝠(Desmodus rotundus)為能走擅飛的吸血蝙蝠(圖片來源:歐陽盛芝)。
吸血蝠是小型夜行性蝙蝠,平均體長約9公分,翼展約32-35公分,體重約25-40公克,屬於葉口蝠科(Phyllostomidae)。只吸食血液,尤其偏好牛、馬等哺乳動物,也會吸食鳥血,找到獵物時會利用鼻子的紅外線熱敏感器找到血管,以特化成刀狀的上犬齒切開獵物皮膚,用舌頭舔吸血液,每晚吸血量能超過體重的一半,一隻吸血蝠一生中可吸食約100公升的血液,分布於中南美洲的熱帶和亞熱帶地區,具有良好的視覺、嗅覺、和聽覺,飛行能力很強,會張開嘴巴發出超音波進行回聲定位,可辨識距離50公分、寬度1公分金屬條,並能以特殊步態在地面迅速行走、跑步、和跳躍。
研究團隊受到吸血蝠的啟發,曾於2013年設計能以機翼當成腿在地面運動的無人機,飛行時鎖定機翼位置,控制飛行方向和高度,一旦降落地面,機翼解鎖,翼尖開始如輪軸般繞著機身旋轉,帶動機身在地面緩慢爬行,這種兩用構造稱為輪腿或翼腿(wheel-legs or wing-legs,簡稱Whegs),不必額外增加重量,就讓機器人增加爬越地面障礙物的運動功能。
新款機器蝙蝠DALER充分運用適應形態學,在空中可展開機翼飛翔,降落時旋轉翼尖變為姿態控制系統,使其在不犧牲重量或結構效率下,增加地面運動功能,設計優點在於可摺疊的骨架讓機翼能快速展開和收攏,翼端能在飛行期間控制機器蝙蝠的俯仰和搖擺,摺疊的機翼增加翼端的抓地力,並當作搖臂產生動力,增強地面的運動效率和靈活度,還可收縮機翼擠壓到原本無法到達的地方。在空中的飛行速度為每秒6-20公尺,降落後能自行調整位置,再順利重新起飛,大幅提升小型無人機起降後的「存活率」;著陸時會展開機翼並像輪翼一樣旋轉,做出行走的動作,在平坦木質地板的最大前進度速度為每秒7公分,可持續約60分鐘,在崎嶇的地形則可行走約30分鐘,明顯提升著陸後對不同地形的適應能力。
DALER由兩個獨立的驅動系統分別控制飛行和地面運動機體重量採最小化設計,提供有效飛行的足夠剛度骨架具中心框架和以碳纖維桿連接的多根肋條表面包覆不可延伸、耐磨損的Icarex超薄防水聚酯布polyester fabric)作為機殼;電纜連接彈簧負責機翼摺疊,機翼展開時拉動彈簧和拉緊Icarex表布避免顫動,可提升飛行效率,彈簧還可吸收能量減輕撞機造成的損壞,以每秒8.4公尺的碰撞速度測試,每個彈簧可吸收的最大能量為12.5焦耳(J=1Nm,施加1牛頓力經過1公尺距離所需的能量),只要1-2秒內即可使機翼變形。研究團隊未來將研發懸停飛行、垂直飛行、和自動起降等功能,優化依任務需求調整不同翼展和翼長等幾何參數的機型,以延長運作時間或增加自動充電等功能。
以上新聞編譯自2015119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:2017/07/25
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生蝙蝠(三):能走擅飛的機器蝙蝠DALER
資料來源:
Daler, L., S. Mintchev, C. Stefanini, and D. Floreano. 2015. A bioinspired multi-modal flying and walking robot. Bioinspiration & Biomimetics, 10(2015) : 016005-1-14.
延伸學習:
吸血蝙蝠。2017。百度百科,http://baike.baidu.com/item/%E5%90%B8%E8%A1%80%
E8%9D%99%E8%9D%A0(瀏覽日期:2017/06/27)。
Ackerman, E. 2015. Flying, walking vampire bat robot is back. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, January 22, 2015.
Common vampire bat. 2017. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Common_vampire
_bat (Visit date: 2017/06/27).


『臺博新知』:仿生蝙蝠(二):食蟲蝠與新型抗血栓藥

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
賴婉婷/國立臺灣博物館研究組

食蟲蝠種類佔蝙蝠70%,是翼手目(Chiroptera)小蝙蝠亞目(Microchiroptera)蝙蝠的通稱,眼睛較小、視覺退化、聽覺發達,以口鼻發出超音波探索獵物,用回聲定位方式區辨環境中物體和定位導航,一些種類的臉部甚至演化出鼻葉、褶皺增多、和複雜大耳朵等增加聲納接收的結構,大多在空中飛行覓食,一旦接近目標就捕食,食量大到平均一個晚上吃掉相當自己體重60%重量的昆蟲,有些直接張口吃掉,有的則以翅膀包圍攔截入口,亦有用尾部皮膜像勺子般舀到口內,敏捷且變化多端。
食蟲蝠中的吸血蝙蝠唾液可開發新型抗血栓藥(繪製者:黃正文)。
國外許多社區已陸續安裝蝙蝠箱,促使當地蝙蝠族群生長及繁殖,因為科學家曾調查棲息在美國新墨西哥州的一個蝙蝠群聚的食量,發現一個晚上就吃下總重量相當於25隻大象體重的蚊子,食蟲蝠因此成為控制病蟲害的天然利器,消滅會媒介如登革熱、茲卡病毒等人類傳染病的埃及斑蚊(Aedes aegypti)和白線斑紋(Aedes albopictus)等,有效降低病媒蚊族群和感染疾病機率,減少化學藥劑的使用。
食蟲蝠食性多元,食肉者會捕食嚙齒類、小型鳥類、蛙和蜥蜴等,僅有印度假吸血蝠(Megaderma lyra)和馬來假吸血蝠(Megaderma spasma)兩種;食魚者具長腿大足、且足趾前端有鉤形爪等特徵,捕食時多貼近水面,以超音波探測小魚動靜和激起的浪花,伺機用足爪抓住獵物,有墨西哥兔唇蝠(Noctillo leporinus)、南兔唇蝠(Noctilio albiventris)、索諾拉鼠耳蝠(Myotis vivesi)和大足鼠耳蝠(Myotis ricketti)四種。

吸血蝙蝠只有三種,約佔0.23%翼手目物種數量,分布於中南美洲的熱帶和亞熱帶地區,具有獨特而複雜的社會行為,不僅飼養照顧自己的子代,也共同撫育幼蝠,當母蝠出外獵食,幼蝠可到其他母蝠處吃奶;當在外未從獵物吸血的空腹蝙蝠回巢時,其他蝙蝠會反芻食物分食共享,維持族群持續繁衍。尋找獵物時用回聲定位外,鼻子具紅外熱敏感器,能檢測16公分距離的微小熱量,及溫度低至攝氏28度的TRPV1蛋白質,有效偵測存在的獵物。

毛腿吸血蝠(Diphylla ecaudata)是吸食鳥類血液的吸血蝙蝠(圖片來源:歐陽盛芝)。


吸血蝠(Desmodus rotundus)大多吸食馬、牛、山羊、豬等家畜和哺乳動物的血,亦吸食雞、鴨等家禽血液,甚至偶爾吸食人血,會在夜間用鋒利的牙齒切開正在睡覺的獵物皮膚,然後用舌頭舐食血液;白翼吸血蝠(Diaemus youngi)偏好鳥血,也會吸食哺乳動物的血;毛腿吸血蝠(Diphylla ecaudata)只吸食鳥類血液。特殊的胃能迅速吸收血漿,透過循環系統帶到腎,最後通過膀胱被排出因此開始進食的兩分鐘內就能排尿,可避免吸血後快速增加體重而造成起飛和飛行困難、迅速再次進食;牠們還能在地面前行、斜行、倒退、和跳躍等,不同於大多數種類蝙蝠幾乎無法在地面行走,科學家發現吸血蝠在低速轉動的腳踏車上,前進速度最快可達每秒0.56公尺,當加快腳踏車車速時,能借助合攏翅膀上的前肢,使身體快速向前大步跑動,達到每秒前進1公尺以上的奔跑速度,可說是蝙蝠世界中佼佼者。
吸血蝠的唾液含有一種抗凝血劑纖維蛋白溶解酶原(desmoteplase,簡稱DSPA),可使獵物血液持續流出、不會凝固,但蝙蝠彼此打架咬傷時則不會影響凝血功能。科學家證實吸血幅叮咬哺乳動物的傷口即使不深,仍會血流不止,他們測試吸血蝠唾液對血栓的溶解效果,血栓是血流在血管內面剝落處或修補處表面形成的小塊,由不溶性纖維蛋白、沈積的血小板、積聚的白血球、和陷入的紅血球組成,在腦部發生時會阻礙腦部的血液供應,造成急性缺血性中風的致命危險,結果人血、兔血都在幾分鐘內溶解,因此認為吸血蝠的唾液能溶解血栓、讓血管恢復暢通。因而致力於仿生吸血蝠唾液,開發出新型抗血栓藥去氨普酶(Desmoteplase,又名纖維蛋白溶解酶原激活劑),近年來經動物實驗已確知溶解血栓效果優於現有藥物,已進入臨床人體試驗階段。
中國浙江大學張建明(Jianmin Zhang)教授領導跨系研究團隊,執行仿生新型抗血栓藥去氨普酶對急性缺血性中風病患的人體試驗研究成果,已於 20169月發表在《科學報告》(Scientific Reports)期刊。與其他類似試驗結果比對分析,得知用藥的顱內出血病患在72小時內主要出血率和第90天死亡率均獲得良好結果,中風後3-6小時內用藥與6-9小時內用藥,雖然前者再發生栓塞率較低,統計上卻無明顯差異,因此中風的治療時機可從3小時延長到9小時內;若施用高劑量藥物可改善血栓、但會增加死亡風險,因此維持每公斤體重使用90微克(μg=10-6g)劑量,具治療安全性,不會造成腦部傷害,可溶解血栓、改善功能。
以上新聞編譯自2016927日發行之Scientific Reports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:2017/07/25
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生蝙蝠(二):食蟲蝠與新型抗血栓藥
資料來源:
Riskin, D. K. and J. W. Hermanson. 2005. Biomechanics: independent evolution of running in vampire bats. Nature, 434(7031): 292.
Shi, L., F. Liang, Y. Li, A. Shao, K. Zhou, J. Yu, and J. Zhang. 2016. Desmoteplase for acute ischemic stroke within 3 to 9 hours after symptom onset: evidence from randomized controlled trials. Scientific Reports, 6: 33989-1-8.
延伸學習:
血栓。2017。台灣Wordhttp://www.twword.com/wiki/%E8%A1%80%E6%A0%93(瀏覽日期:2017/06/26)。
蝙蝠。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9D%99%E8%9D%A0(瀏覽日期:2017/06/26)。
Carter, G. and G. Wilkinson. 2013. Does food sharing in vampire bats demonstrate reciprocity?. Communicative and Integrative Biology, 6 (6): e25783-1-6.
Gracheva, E. O., J. F. Cordero-Morales, J. A. González-Carcacía, N. T. Ingolia, C. Manno, C. I. Aranguren, J. S. Weissman, and D. Julius. 2011. Ganglion-specific splicing of TRPV1 underlies infrared sensation in vampire bats. Nature, 476(7358):  88-91.
Greenhall, A. M., G. Joermann, and U. Schmidt. 1983. Desmodus rotundus. Mammalian Species, 202: 1-6.

『臺博新知』:仿生蝙蝠(一):具特殊功能的暗夜飛行者

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
賴婉婷/國立臺灣博物館研究組

蝙蝠是夜行性動物,也是唯一能飛行的哺乳動物,具有薄而堅韌的皮質翼膜連結四足和尾巴,指骨特化伸長,前足拇指和後足各趾均有可抓握的爪,胸骨類似鳥的龍骨突有利胸肌運動,擁有超強聽力,可在暗夜快速飛行、並急速轉彎,翅膀除飛行外,有捍衛、隱藏、求偶展示、游泳、或圍捕獵物等60種功能。牠們屬於脊索動物門(Chordata)哺乳綱(Mammalia)翼手目(Chiroptera),分布幾乎遍及全世界,通常群聚生活,數量可高達百萬隻,主要棲息於洞穴、樹洞、或森林。
蝙蝠能以回聲定位在暗夜飛行時區辨物體和定位導航(繪製者:黃正文)。

大蝙蝠亞目(Megachiroptera)稱為食果蝠,體型較大,多取食水果;小蝙蝠亞目(Microchiroptera)稱為食蟲蝠,體型較小,除了吃昆蟲外,還有植食性、肉食性和吸血性等多樣化食性。世界上最大的蝙蝠是鬃毛利齒狐蝠(Acerodon jubatus),又名菲律賓果蝠,翼展1.5-1.7公尺;體型最小的是凹臉蝠(Craseonycteris thonglongyai),體長只有3.3公分。
蝙蝠是生態系的重要成員,食果蝠能幫助開花植物授粉和傳播種子,例如墨西哥的龍舌蘭花,僅靠吸食花蜜的南方長鼻蝠(Leptonycteris curasoae)授粉,開花模式與蝙蝠的遷移模式形成互相依存關係;非洲的猴麵包樹(Adansonia digitat)幾乎完全依賴取食果蝠授粉,若沒有蝙蝠,這些植物可能無法繁殖而滅絕。部分蝙蝠和植物形成共同演化特徵,例如花蜜長舌蝠(Anoura fistulata)的口鼻細長,下顎縮小,舌頭長達身體的150%、且具良好延展性,以便伸入細長的花朵,吸蜜時會沾染攜帶花蜜,成為長管花(Centropogon nigricans)的唯一授粉者,兩者形成互利共生關係。此外,棲息於洞穴的蝙蝠排泄物,提供許多無脊椎動物發育所需的有機質,也是富含磷的上等肥料,更能加工成稱為夜明砂的中藥材。
菊頭蝠是由特化的鼻孔發出超音波進行回聲定位(圖片來源:歐陽盛芝)。

蝙蝠的新陳代謝非常快,因為飛行消耗較多體力,會產生如活性氧、DNA複製錯誤等,容易造成身體損傷,但科學家發現牠們具有許多能快速有效修復的基因,不僅能延長壽命,並可抑制許多致命病毒,免疫系統不斷運作以防止感染,即使同時攜帶多達100種病原菌卻不會致病,包括狂犬病毒、伊波拉病毒、SARS的原型病毒、亨德拉(Hendra)病毒、立百(Nipah)病毒、MERS(中東呼吸綜合症)的原型病毒等。因此研究蝙蝠的基因組與免疫系統,或可提供人類研發抑制細胞和組織衰退損壞、抗衰老、和治療疾病的方法。
大多數蝙蝠靠聽力導航和覓食,藉由回聲判斷目標的種類,能從口鼻發出14,000-100,000 赫茲(Hz)的超音波,接觸到物體或障礙物反射回來,用耳朵接收後將訊息傳到大腦,測知環境和獵物位置,由回傳的時間判斷行進路線中物體的大小和位置等,愈接近物體或獵物、準確性愈高。部分蝙蝠例如中央狐蝠(Pteropus alecto)會使用視覺和氣味來尋找水果;但對食蟲蝠而言,聽覺和嗅覺比視覺更重要。
當數萬隻蝙蝠群聚生活在同一洞穴時,每隻蝙蝠能發出聲音溝通協調,並透過同類的聲調變化判斷情緒和狀態,並擁有固定頻率區辨自己的聲音不被擾亂,這種抗干擾能力可從充滿噪音的回聲中檢測出特定聲音,快速分析和辨別,以區別反射音波的物體是獵物還是石塊。蝙蝠具有的回聲定位和抗干擾能力等特殊功能,早已成為人類研究和仿生利用的重要對象。
以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)約維爾(Yossi Yovel)博士曾於201612月在《科學報告》(Scientific Reports)期刊發表一篇研究埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus)語言的成果,他發現幼蝠是靠後天學習獲得語言能力,在無聲環境成長會影響其發音學習,牠們的語言是由多音節序列組成,音節間具短暫間隙,有類似語法的規律,用來吵架、爭奪食物、求偶、或爭取活動空間等,與不同的蝙蝠溝通時發出的聲音略有差異。
以色列魏茨曼科學研究院(Weizmann Institute of Science, Israel)烏蘭諾夫斯基(Nachum Ulanovsky)教授領導的團隊則於20151月在《自然》(Nature)期刊發表埃及果蝠腦部3D地圖的研究成果,他們專為蝙蝠設計一個頭戴裝置,透過電腦記錄其頭部在三維空間的運動,及腦部海馬區前下托的電活動,結果得知蝙蝠腦中具有甜甜圈形的環形座標系統,可自由偵測360度方位和傾斜角以定位導航,腦部細胞特化為「純方位角細胞」、「純傾斜角細胞」、及同時編碼方位角和傾斜角的方位角×傾斜角細胞三類型,因此能即時測知活動空間的3D地圖,快速準確飛抵目標。未來可仿生這種神經機制開發導航系統以預防空難。
以上新聞編譯自20161222日發行之Scientific Reports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:2017/07/25
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生蝙蝠(一):具特殊功能的暗夜飛行者
資料來源:
陳昭君、郭章儀、張永達。2002。蝙蝠的生態與保育。科學教育月刊,(254): 40-47
Finkelstein, A., D. Derdikman, A. Rubin, J. N. Foerster, L. Las, and N. Ulanovsky. 2015. Three-dimensional head-direction coding in the bat brain. Nature, 517: 159-164.
Prat, Y., M. Taub, and Y. Yovel. 2016. Everyday bat vocalizations contain information about emitter, addressee, context, and behavior. Scientific Reports, 6: 39419-1-10.
延伸學習
吳中信。2005。蝙蝠的回聲定位。科學教育月刊(276): 11-15, 27
蝙蝠。2017。維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9D%99%E8%9D%A0瀏覽日期2017/06/23
Muchhala, N. and J. D. Thomson. 2009. Going to great lengths: selection for long corolla tubes in an extremely specialized bat-flower mutualism. Proceedings of the Royal Society B, 276(1665): 2147-2152.
Prat, Y., M. Taub, Y. Yovel. 2015. Vocal learning in a social mammal: Demonstrated by isolation and playback experiments in bats. Science Advances, 1(2): e1500019-1-5.

最新留言

追蹤者

搜尋此網誌