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.













2017年2月6日 星期一

『臺博新知』:仿生槐葉蘋化身高效石油清道夫

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

石油勘探、運輸、儲存、加工和使用都有溢油風險,尤其海上運輸漏油事件常造成嚴重的環境污染和生態浩劫。2016年8月,德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)霍爾舍(Hendrik Hölscher)副教授和波昂大學(University of Bonn)巴斯洛特(Wilhelm Barthlott)教授共同在《生物靈感與仿生學》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊發表仿生槐葉蘋屬(Salvinia spp.)葉片微結構能改良奈米纖維毛「Nanofur」,具有超級疏水性和高吸油性,可只吸石油不吸水,不但能應用於處理與清潔溢油,吸油後還能回收溢油再利用,是經濟、環保、高效的人工除油和吸油劑,取代現有清除溢油材料,解決海上漏油的污染問題,未來還能利用空氣阻隔特性發展新的絕熱介面,或應用於需在水中儲存空氣的結構,例如製造低摩擦阻力的船殼塗料等。

仿生槐葉蘋的奈米纖維毛「Nanofur」能高效清除海上漏油(繪製者:王美乃)。

石油或燃油漏到海洋變成溢油時,會在海面形成油膜,降低光的通透性及產氧量,使海洋生物窒息死亡;若隨風浪吹向岸邊,經過的海洋生物、蝦蟹、浮游或附著生物等都可能沾染黏附而立即死亡,部分暫時存活者的體表皮毛可能喪失保暖和呼吸功能,或因沾黏無法游泳與覓食而難以存活。例如2010年4月美國墨西哥灣鑽油平臺爆炸、和7月中國大連新港油罐區爆炸兩起事件,共洩漏320萬桶石油污染海域,還有2016年3月德翔貨輪在臺灣石門外海擱淺斷裂的嚴重漏油,都造成巨大經濟損失和生態破壞。

溢油污染後,通常先對可能或已造成的生態損害進行預防和處理,著重海洋生物的搶救保育與生態環境的清理復原;同時控制和回收溢油減輕污染,主要分成物理、化學、和生物等三類處理法,或用助燃劑燒光漏油。但除耗費人力外,吸油材料會吸收海水而影響處理效率、殘留的油膜層和化學藥劑造成二次污染、燃燒法無法回收石油、還會產生有毒物質,造成的副作用甚至大於直接經濟損失。因此研究團隊選擇六種水生植物研發仿生吸油材料,觀察葉片表面微結構和測試吸油能力,包括水龍骨目(Polypodiales)槐葉蘋科(Salviniaceae)的人厭槐葉蘋(Salvinia molesta)、小槐葉蘋(S. minuma)、僧帽葉槐葉蘋(S. cucullata)、長圓葉槐葉蘋(S. oblongifolia)、天南星目(Arales)天南星科(Araceae)的大萍(Pistia stratiotes)和睡蓮目(Nymphaeales)蓮科(Nelumbonaceae)的蓮花(Nelumbo nucifera)。

人厭槐葉蘋(Salvinia molesta)浮葉表面密佈的毛狀體微結構形似打蛋器,具有超疏水性和高效吸油能力(圖片來源:歐陽盛芝)。

槐葉蘋是漂浮性水生蕨類,葉片分為水面的綠色卵狀浮葉、和近似根可協助平衡植株的棕色變態葉,浮葉表面密佈由頂部長著細毛,由圓錐狀小突起組成的毛狀體(trichomes),由於能填滿空氣,構成浮葉的超疏水性(superhydrophobic);細毛末端能抓住水分、並將內部空氣膜封住,為親水性(hydrophilic)微結構,可有效保留空氣層,減少葉片表面與水的接觸面積、剪應力及摩擦阻力,達到降低表面自由能(surface free energy)的效果,特稱為「槐葉蘋效應」(Salvinia effect)。此外,蓮花葉具有奈米級蠟晶體,覆蓋由乳突形成的微晶,是兩級分層表面結構;槐葉蘋和大萍葉則具有更複雜的三級分層表面架構,毛狀體或毛高約數百微米,含有用奈米級蠟晶體疊加的微小凸起細胞,可確保其浮力和存活,表面覆蓋的疏水性蠟還能避免水分過度蒸發、微生物和機械損傷、或水的降解作用(degradation)。

科學家測量四種槐葉蘋浮葉表面,人厭槐葉蘋的葉面積256mm2(=10-6m2,平方毫米),毛狀體結構是圓錐狀小突起,上接末端連結的四根細毛,形似打蛋器,高2,629µm(=10-6m,微米);小槐葉蘋的葉面積23mm2,具有類似形狀的毛狀體,但四根細毛的末端散開,高919µm;僧帽葉槐葉蘋的葉面積156mm2,毛狀體是略彎的單一細長錐狀,高558µm;長圓葉槐葉蘋的葉面積543mm2,有圓錐狀小突起,上接末端連結的兩根細毛,朝相同方向彎曲,高310µm。

測試這四種植物每平方公分葉片吸附能力的公克量依序為650.0、319.3、313.5、441.1 gm-2,證實人厭槐葉蘋的吸油效果最好,其葉片放入油水混合物中數秒內即可吸油,30秒內可達最大吸附量,油可持續保留至數天後葉片代謝分解;而針對人造原油Grüssing Roherdölersatz PAE15805、液壓油Total Azolla ZS 10、和兩種原油MiRO OK 679及MiRO EK 651試驗也得知,當油密度和黏度愈高,人厭槐葉蘋的吸油能力愈大。並確定人厭槐葉蘋和大萍的吸油能力,均高於奈米纖維毛及市售兩種吸油劑OI-EX Allwetter Typ Ⅲ R及Deurex Pure。

槐葉蘋的毛狀體的高度、體積、獨特結構、和細毛剛性都會影響油的吸附力,尤其細毛末端形狀能決定油和空氣的接觸面積,細毛間的空間可用於存油,長毛吸油能力又比短毛高,具有適度彈性或剛性的細毛有適當彎曲度(末端連接且向下彎曲),能確保油和空氣界面被支撐,擁有較高的吸油能力、並能長期保留。若細毛彈性太高,反而發生極端變形彎曲;或末端未連接的單根毛狀體是無彈性細毛,無法支持油和空氣界面,均導致吸油能力降低。

研究團隊因此建立Nanofur原型的改善基準,先將鋼板噴砂產生微奈米尺寸的小坑洞,然後加熱粗糙噴砂鋼板,壓製到聚碳酸酯薄膜中熔化表面,當鋼板回縮時,從表面拉出仿生毛狀體結構細毛,仿製長且彎曲的連結末端,經測試Nanofur改良版具有類似槐葉蘋葉片的複雜三級分層表面結構,雖然尚未能完全仿製人厭槐葉蘋打蛋器形狀的毛狀體,但已可支撐油和水界面,細毛間空間能完全填充吸收的油,實現高效吸油容量且能油水分離,可用於環境清潔並化身高效石油清道夫,解決海上漏油的污染問題。

(以上新聞編譯自2016年8月16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:2017/2/2

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生槐葉蘋化身高效石油清道夫

資料來源:

Zeiger, C., I. C Rodrigues da Silva, M. Mail, M. N. Kavalenka, W. Barthlott, and H. Hölscher. 2016. Microstructures of superhydrophobic plant leaves-inspiration for efficient oil spill cleanup materials. Bioinspiration & Biomimetics, 11 (5): 056003-1-9.


延伸學習:

施政伯。2014。槐葉蘋葉面上的空氣膜。週日閱讀科學大師,2014年3月20日(http://science.nchc.org.tw/blog/?p=690)。

鄒敏惠、詹嘉紋。2016-03-28. 【海污事件簿】海上漏油怎麼一回事?互動地圖帶你看。環境資訊中心(TEIA, Taiwan Environmental Information Center),2016年3月28日(http://e-info.org.tw/node/113801)。

Helms, F. 2016. Nanofur separates oil from water. KIT (Karlsruhe Institute of Technology) / Technology Offers, https://www.kit-technology.de/en/technology-proposals/details/537/ (Visit date: 2017/01/11).

Salvinia effect. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Salvinia_effect (Visit date: 2017/01/10).

Schinarakis, K. 2016. Nanofur for oil cleanup. KIT (Karlsruhe Institute of Technology), No. 115, August 18, 2016 (http://www.kit.edu/kit/english/pi_2016_115_nanofur-for-
oil-spillcleanup.php).


Varghese, P. 2016. Hydrophobic plant leaves to clear up oil spills. Innotrendz / Science, October 20, 2016 (http://innotrendz.com/science/hydrophobic-plant-leaves-to-clear-
Clear-up-oil-spills/).

2017年1月30日 星期一

『臺博新知』:可壓縮鑽縫的仿生蟑螂機器人CRAM

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

俗稱美國蟑螂的美洲家蠊(Periplaneta americana)屬於蜚蠊目(Blattaria或Blattodea)蜚蠊科(Blattidae),又名美洲大蠊、美洲蟑螂,體長約3-5公分,體高約1.2公分,可將身體壓縮至一半,在不到一秒鐘內穿過小於0.3公分(相當於四分之一身體高度)的水平縫隙;一旦進入垂直狹窄空間,蟑螂會使用身體摩擦腿爬行模式(body-friction legged crawling),以肢體的摩擦力及腿的強大推力拖動身體,以每秒向前爬20倍體長(64公分)的距離快速移動;將其放入只有0.4公分高(相當於三分之一身體高度)的窄縫爬行時,仍能展現每秒移動15公分距離的驚人速度。當遭遇體重300倍的壓力時仍能移動自如,甚至承受將近900倍壓力也毫髮無損。因此未來若因地震、颱風、龍捲風等天災,或是戰爭、爆炸等人為災害造成建築物倒塌時,受困者的救星或許就是一隻機器蟑螂。

仿生美洲家蠊的蟑螂機器人CRAM能夠壓縮鑽縫快速移動(繪製者:王美乃)。

美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)福爾(Robert J. Full)教授的研究團隊模仿蟑螂穿越裂縫、於封閉空間爬行、和移動時對動態壓縮力(dynamic compressive forces)的反應,製造出一款遭遇強力擠壓仍可敏捷穿越瓦礫和狹小空間的仿生機器蟑螂「有關節可壓縮機器人」(compressible robot with articulated mechanisms,簡稱CRAM)。25年前福爾教授就發現美洲家蠊屬於高度動態運行的昆蟲,可只用兩足跑動,並創下每秒約跑5英呎(152.4公分)或50倍體長距離的金氏世界紀錄,具有堅韌且延展性佳的外骨骼,不僅能有效保護軀體,同時也保有壓縮漲大的彈性,體壁是由柔軟薄膜連結的多片硬殼層疊組成,能隨環境變化形狀,在遠低於己身高度的縫隙中還能生存且活動自如,可爬上牆壁、沿著天花板、潛藏在牆縫邊或窗檯下快速爬行。

美洲家蠊(Periplaneta americana)在承受體重300倍壓力下仍能自由行動,並可壓縮身體在0.4公分高窄縫中以每秒15公分的速度爬行(圖片來源:歐陽盛芝)。


CRAM使用智能複合微結構(smart composite microstructure,簡稱SCM)製造方法,以雷射切割、層壓和折疊外骨骼,重46公克,長、高18 ×7.5公分,比真正的美洲家蠊大,約為成人手掌尺寸,爬行速度每秒27公分(相當於1.5倍體長距離),具有拱狀彈性背部構造和六條能往身體外側延伸的足,當受到外力擠壓時,可將身體壓扁至垂直壓縮比率超過50%的3.5公分高,還能以每秒達14公分距離的高速移動,被重壓後能再回彈復原,可應用於深入瓦礫細縫處、鑽過裂縫,在狹窄的空間迅速爬行,加裝上探測裝置後,有助於加快搜尋受困者的速度,具備傳統硬式機器人的行動速度與爆發力,也有軟機器人的彈性和韌性,2016年2月已於《國家科學院期刊》(Proceedings of National Academy of Sciences,簡稱PNAS)發表,製作成本不到一百美元,若再安裝感應器和攝影鏡頭、麥克風等其他配備後量產,預估每個成本可降到十美元內,美國陸軍已資助部分研發經費,可望成為非常高效的搜索救援機器人。

這款仿生機器蟑螂機體由25.4μm厚的聚酯板及海報板複合壓製而成,背板使用127μm的聚酯板構成低摩擦可變形的殼體,具弧度的外殼由富彈性、可變形的塑膠片連接組成,與機體構造緊密結合;背部的拱狀結構外殼摩擦力低,能承受重壓後迅速彈回復原,經測試可承受約1公斤(大於20倍體重)的最大壓力,層壓構成的腹板結構可抵消衝擊和碰撞。

6條L形足以3D列印,當站立與伸展時可與地面保持良好接觸。驅動機制包括3D列印齒輪的兩個小型直流馬達,可獨立操作控制CRAM機器人的左側和右側,並藉藍芽4.0及市售電路板控制機器人的動力。當被重壓或穿過縫隙時,L形足能外翻向兩側攤平,足可隨著下壓的機體順勢旋轉高達90度,藉此讓機體在壓扁狀態下持續前進,爬行角(sprawl angle)可由50度延展至81度,輕鬆鑽進只有自身體積一半的縫隙,最大垂直壓縮比是54%(7.5-3.5公分),在3.5公分高的縫隙間仍能向前爬行,最大步幅頻率為25Hz,平均步幅長度在不受約束時為1.1公分,但機體被壓縮時約減為0.6公分。

日後研究團隊將繼續升級CRAM足的設計,改善前進速度、提高能量效率,以及增加轉動、攀登和跳躍等新功能,使其成為一款高效的搜救、環境監測,或軍事偵察幫手。未來災害發生時,也許只要拋出一群機器蟑螂,就可鑽入毀損倒塌建築物或廢墟的裂縫、通風口、和管道等處,偵測和定位受困者或評估測繪安全入口,絕對是瓦礫堆下的最強搜救隊。

(以上新聞編譯自2016年2月8日發行之PNAS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:2017/1/26

本單元學術名稱:生物醫農>動物學

標籤:可壓縮鑽縫的仿生蟑螂機器人CRAM

資料來源:

Jayarama, K. and R. J. Full. 2016. Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot. PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), 113(8): E950-E957 (+7pp. Supporting information) (doi: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1514591113).

延伸學習:

Hoover, A. M. and R. S. Fearing. 2008. Fast scale prototyping for folded millirobots. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2008, 886-892.

Plaugic L. 2016. This robot cockroach could eventually help search-and-rescue teams. The Verge / Science, February 8, 2016.

Sanders, R. 2016. Cockroach inspires robot that squeezes through cracks. UC Berkeley / Berkeley News, February 8, 2016.





2017年1月23日 星期一

『臺博新知』:防沾黏的仿生豬籠草微創手術電刀表面「LIS」

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

微創手術(minimally invasive surgery)有傷口較小、疼痛度及出血量減少、康復時間縮短等優點,近年來已日趨普及,使用的最主要醫療器材之一就是材質為不鏽鋼的手術電刀,雖然採用多種方式避免黏刀,但仍存在一些無法克服的缺點。北京航空航天大學張德遠和陳華偉教授領導的研究團隊,2016年6月於《應用表面科學》(Applied Surface Science)期刊發表一款仿生豬籠草捕蟲籠唇部表面的「注液表面」(liquid-infused surfaces,簡稱LIS)結構,優異的抗黏附穩定性可在手術刀具上加工,讓微創手術更安全,真正達成手術過程中防止軟組織黏連的功效,減輕沾黏引起的額外損傷,節省手術時間也提升效能。

仿生翼狀豬籠草的注液表面LIS應用於微創手術電刀表面,可防軟組織沾黏、節省手術時間及減少副作用(繪製者:王美乃)。
微創手術用的電刀又稱為「載能微創手術刀具」,有單極電刀、雙極電凝鉗、電筆、超聲刀等,在接觸部位實施凝血和組織切割等動作,由於刀頭尖端會產生高頻高壓電流,容易導致軟組織或器官燒燙傷及形成焦痂,被撕裂沾黏在器械表面,導致止血失敗或損傷周圍的軟組織,甚至影響功能而阻礙手術進行,據統計微創手術事故有80%屬於此類損傷。因此手術期間在切割幾次後,必須擦拭刀具、或以超音波清洗黏附的軟組織和焦痂,不僅延長手術時間、也影響精準性。目前電刀防黏方法包括添加藥劑、噴灑冷卻水,或塗覆金屬塗層、合成聚合物薄膜、金屬聚合物複合塗層阻隔等,但效果不一,並且有些方式會產生軟組織燒傷或釋放有毒氣體等問題,或者因金銀等貴金屬成本高昂難以普及應用。

LIS是以光刻輔助化學蝕刻方法在微創手術的電刀表面製造粗糙紋理化表面,注入矽油液體形成液膜製成,低揮發性(運動黏度為1,000 cst,在300℃下其揮發幾可忽略)並具生物相容性的矽油液膜既可耐高溫、也不怕刮傷摩擦,利用微奈米結構表面作用力吸引液體潤濕手術刀具表面具自癒作用,能迅速穩定維持液膜的完整性及濕潤性,保持疏水性和防黏能力的持續性,還能運用單向移動的「液膜」原理實現潤滑與隔離,隨時將接觸區的軟組織輸送到邊緣,或在超音波清洗中脫落。經證實LIS在250℃高溫下對軟組織黏附力較傳統電刀光滑表面約降低80%、黏附質量最小化並減少約89%,且不會產生有毒氣體,極易清洗,對於生物淤積、冰、霜凍、其他液體等亦具抗黏附能力,可供新一代的電刀和其他醫療器械防黏使用。

翼狀豬籠草(Nepenthes alata)捕蟲籠唇部的微觀結構和液體移動機制啟發應用於醫療器械的LIS(圖片來源:林士傑)。
超濕滑注液表面LIS的研發靈感來自翼狀豬籠草(Nepenthes alata),其捕蟲籠唇部表面具有多級棱槽結構,能讓雨水、露水或蜜汁等液體從捕蟲籠蒸發凝結在唇部內緣,然後連續定向搬運分散至唇部表面保持濕滑,當昆蟲被引誘到唇部表面時,極易滑倒掉落捕蟲籠內。研究團隊根據這種能克服地心引力、沿著單一方向從低處往高處快速流動的現象,探討唇部的微觀結構特徵和液體移動機制,因此已開發出可應用於新型定向流體運輸系統的仿生豬籠草人造薄膜,這款新型注液表面則專用於醫療器械方面。

先製造固體基材不鏽鋼圓形柱狀突起薄膜,蝕刻深度約為5.08μm的表面紋理,然後塗覆有超疏水性「自組裝單分子膜」(self-assembled monolayers,簡稱SAMs)十八烷基三氯矽烷(Octadecyltrichlorosilane,簡稱OTS),再浸塗約20μLcm-2的矽油,透過毛細管力產生注液表面,最後垂直放置5小時排出過量液體即可製成LIS。

經測試4種不同尺寸圓柱直徑與距離的表面紋理差異,結果在各種溫度下,無論未注液的乾燥情況或已注液的濕潤狀態,均以表面紋理圓柱直徑131.5±2.9μm,圓柱間距離95.8 ± 2.3μm,蝕刻深度4.91 ± 0.31μm的抗黏附效果表現最佳。試驗得知水滴在乾燥表面上的接觸角為69.5°±1.2°,添加矽油的濕潤表面即增加至89.6°±1.1°;當傾斜至90°時水滴仍能固定在乾燥表面上,但傾斜到約2°時,水滴卻在注液的濕潤表面滑動,證明濕潤性可增加表面的疏水性。而在250℃的高溫時,10μL的水滴在注液表面約78微秒(microsecond=10-6秒,簡稱ms)後沸騰,並開始在水滴位置周圍滾動到約1.2秒時滾落,表面幾乎無殘留,證明在高溫下仍具有優異的抗濕性能。當在5牛頓(Newton,使質量1公斤物體的加速度為1 m/s2所需的力,簡稱N)應力下,乾燥光滑表面的黏附力隨溫度的升高而顯著增加,有矽油的濕潤光滑表面黏附力僅從0.19N增加到0.61N,也證明潤滑注液在軟組織和不鏽鋼間可形成液體屏障,即使高溫下也能降低軟組織在不鏽鋼表面的黏附力。

研究團隊於2014年12月使用初期試驗成果,已為北京航空航天大學申請到這款「載能微創手術刀具表面自潤滑防黏的結構」的專利,就是在手術刀具上加工,利用微奈米結構表面作用力吸引液體潤濕手術刀具表面,以液膜實現潤滑與隔離,達到載能刀具手術過程中防止軟組織黏連的方法,加上現階段完成的LIS研究成效,未來將建立產業基地生產應用。

(以上新聞編譯自2016年6月1日發行之Applied Surface 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:2017/1/19

本單元學術名稱:生物醫農>動物學

標籤:防沾黏的仿生豬籠草微創手術電刀表面「LIS」

資料來源:

Zhang, P., H. Chen., L. Zhang, and D. Zhang. 2016. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on high-temperature stainless steel for soft tissue. Applied Surface Science, 385(2016): 249-256.

延伸學習:

張德遠、陳華偉、張鵬飛、張力文。2014。一種載能微創手術刀具表面自潤滑防黏的結構。北京航空航太大學,專利CN 104188719A。

臺大醫院醫學工程部。2016。淺談電刀。臺大醫院/醫療儀器,http://www.ntuh.gov.tw/
BMED/equipment/DocLib/%E6%B7%BA%E8%AB%87%E9%9B%BB%E5%88%80.aspx(瀏覽日期:2016/12/30)。


翼狀豬籠草。2016。維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BF%BC%E7%8B%80%E8%B1%AC%E7%B1%A0%E8%8D%89(瀏覽日期:2016/11/15)。

Chen, H. W., P. F. Zhang, L. W. Zhang, H. L. Liu, Y. Jiang, D. Y. Zhang, Z. W. Han, and L. Jiang. 2016. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature, 532(7597): 85-89 (+ 11pp. Supplementary Information).






2017年1月16日 星期一

『臺博新知』:仿生蟑螂微型合體機器人

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

隨處可見的蟑螂也成為科學家研發機器人的仿生對象了!這種擅跑又能飛的昆蟲可以迅速移動進出極小縫隙,可用六足、四足、甚至只用兩隻後足行動,能高速攀爬和逆轉,具有優異的運動性,美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)費林(Ronald S. Fearing)教授領導的研究團隊因此研發出仿生美洲家蠊(Periplaneta americana)的六足跑步微型蟑螂機器人VelociRoACH,結合撲翼式微型飛行器H2Bird成為一款具多種優異功能、可共同團隊合作的微型合體機器人,並已於2015年5月在2015 IEEE國際機器人與自動化大會(International Conference on Robotics and Automation,簡稱ICRA)發表。這項設計可解決微型飛行機器人受限於電池壽命,無法執行較長時間空中偵測任務的問題,若借助地面行動機器人運輸至定點後再起飛,可有效節省動力且延長飛行時間,同時能收集回傳空中和地面資料。
仿生蟑螂機器人VelociRoACH結合撲翼式微型飛行器H2Bird可形成多功能團隊合作的微型合體機器人(繪製者:王美乃)。
美洲家蠊又稱為美洲大蠊、美洲蟑螂、或美國蟑螂,屬於蜚蠊目(Blattaria或Blattodea)蜚蠊科(Blattidae),原本分布於美國和熱帶地區,目前已遍及包括臺灣的全球各地。本種為雜食性的有翅昆蟲,成蟲平均體長約4公分,發育期約半年至一年,壽命可長達一年至一年半。其適應力非常強且容易繁殖,生活於溫暖潮濕的室內或戶外環境,不僅族群數量龐大,且為室內常見的居家害蟲和衛生害蟲。1991年加州大學柏克萊分校的科學家(S. A. Shukolyukov)計算其步行或爬行的速度每小時可達5.4公里,等於50倍體長的距離,每秒約跑1.5-3公尺,相當於每小時能跑330公里的人類男性。依此於2013年研發的VelociRoACH堪稱跑最快的六足機器人,能以24 Hz的步幅頻率(stride frequency)運行高達每秒2.7公尺(等於27倍體長距離),相當於每小時移動9.72公里,甚至超越美洲家蠊的速度。
美洲家蠊(Periplaneta americana)分布很廣,適應力強且跑得很快,為家戶常見衛生害蟲(圖片來源:歐陽盛芝)。
VelociRoACH的長、寬、高為10×6.5×4.2公分,重30公克(包括3.7 V,120 mAh電池),主體由3D列印的剛性結構核心組成,使用機載微控制器(ImageProc 2.5)計算和控制,6條直徑2.25公分的彈性C形足以聚氨酯橡膠(Smooth On PMC-790,polyurethane rubber,簡稱PU)製成,模仿美洲家蠊用三個支點同時支撐的「三腳架」步態(左前/右中/左後足和右前/左中/右後足兩組交替)行走,機體兩側以碳纖維框架加裝仿翅膀的矩形聚酯膜(聚對苯二甲酸乙二醇酯polyethylene terephthalate,簡稱PET)四連桿結構(長、寬為5×4公分,厚50μm)充當空氣動力穩定器(aerodynamic stabilizer),防止前後足力量所導致的偏轉和振動。它能夠快速穿越超過3.2公分高度(高於其臀部高度)的障礙物,也可在如小礫石(直徑小於1公分)地面的崎嶇地形有效移動,最大有效荷載為125公克,超過機體重量4倍。由於最大運作頻率時的功耗低,以最高速度運動時的電池壽命是27分鐘,能在水平地面跑4.43公里。

H2Bird是撲翼式微型飛行器(機器鳥)改裝自模仿蜂鳥外形和停棲功能的遙控飛鳥撲翼機(Silverlit i-Bird Ornithopter),並模仿蒼蠅飛行時複眼視覺控制的光流(optical flow)運動檢測(即生物運動時在視覺範圍內所有可見物體的相對移動)和導航方式,採用其動力傳動系統和能合攏張開的翅膀架構,將一對翅膀修改為在相同位置上下重疊的兩對翅膀,翅展長改為26.5公分,機體長20公分,重13.2公克。翅膀以聚酯薄膜(Mylar)製成並以碳纖維框架增強機體、翅膀、和尾部,用12.7μm厚的PET覆蓋,以快乾膠接到翼樑。使用機載微控制器(ImageProc 2.4)計算和控制,尾部安裝的螺旋推進器用於偏擺控制,以伺服器驅動的升降舵用於俯仰控制。經測試在單個3.7 V,90 mAh鋰電池供電時,可攜帶2.8公克的有效荷載,以平均對地速度每秒1.2公尺飛行近10分鐘;最大拍翼頻率約16 Hz時,可飛行約2.5分鐘。但因翅膀不足以抵抗地面接觸阻力和重量,故無法從地面休息狀態直接起飛,因此以VelociRoACH作為發射器,補足此功能。

將H2Bird放在VelociRoACH背上載運助跑,並發射H2Bird至空中起飛,VelociRoACH則繼續在地面跑步,這款由兩個獨立的機器人合體而成的微型機器人要團隊合作需解決許多問題,因此採用光流視覺算法(Optical flow vision algorithms)使它們能合作感應和導航以克服障礙。合體時H2Bird在VelociRoACH助跑下得達到所需發射速度,研究團隊利用風洞試驗收集相關數據,修改VelociRoACH原型以達成這些需求,故將扁平碳纖維樑製成的2.5×1公釐支架固定在VelociRoACH頂部,支架前端及後端高度分別為9公分與6公分,前後則相距7公分,防止H2Bird的尾部在起飛前或起飛時刮到地面,並以厚度2密耳(mil,千分之一英吋=25.4μm)的PET吊帶支撐,同時移除兩側協助穩定的四連桿結構,經改裝後重量為32公克。H2Bird則以25°的角度托置在支架中,提供足夠起飛高度的初始俯仰角,且使阻力最小化。經測試得知,當VelociRoACH運動達最小速度每秒1.2公尺時,H2Bird能以35-40度角發射出去,並成功拍動兩對翅膀產生上升氣流飛行。

微型合體機器人顯示合作比獨立運動具更高效率,且合體的運輸成本低於個體。若以17 Hz步幅頻率跑動,平均功耗比單獨運動增加約24.5%,但搭載H2Bird可減少約90%的俯仰和滾動速度變異,故能增加VelociRoACH的穩定性;若H2Bird在運輸過程中以5Hz頻率撲翼振翅,不僅可有效降低重量,並可讓VelociRoACH的穩定狀態速度增加12.7%,降低約16%的運輸成本。未來將朝向自動發射系統發展,取代目前靠遙控器控制個體或合體運動,使VelociRoACH可無需人為干預、自主命令H2Bird啟動。研究團隊也希望能使VelociRoACH具有回收降落的H2Bird、並再次搭載起飛功能,使微型合體機器人能充分利用空中和地面雙重優勢,執行效率更佳、範圍更廣。

有朝一日當災難發生時,H2Bird將能配備生命探測器、攝影鏡頭等設備,捕捉倖存者的呼吸和心跳信號,傳輸影像給搜救者,同時搭配VelociRoACH這類能克服各種地形機器人的效率和耐力,深入危險地帶拍攝或收集研究數據和資料,或執行災後各種複雜的地形搜尋和測繪,讓搜救團隊能快速確定現場狀況或倖存者的具體位置和情況,在第一時間制定有效的救援方案並執行搶救任務,提高搜救或監視任務效益。

(以上新聞編譯自2015年5月發行之2015 IEEE ICRA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:2017/1/12
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生蟑螂微型合體機器人

資料來源:
Rose, C. J., P. Mahmoudieh, and R. S. Fearing. 2015. Coordinated launching of an ornithopter with a hexapedal robot. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2015, 4029-4035.
Baek, S. S., F. L. G. Bermudez, and R. S. Fearing. 2011. Flight control for target seeking by 13 gram ornithopter. 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2674-2681.
Haldane, 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.
Julian, R. C., C. J. Rose, H. Hu, and R. S. Fearing. 2013. Cooperative control and modeling for narrow passage traversal with an ornithopter MAV and lightweight ground station. Proceedings of the 13th International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2013), International Foundation for Autonomous Agents and Multiagent Systems, 103-110.

延伸學習:

美洲家蠊。2016。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BE%8E%E6%B4%B2%E5%AE%B6%E8%A0%8A(瀏覽日期:2016/12/26)。
Peterson, K. and R. S. Fearing. 2011. Experimental dynamics of wing awssisted running for a bipedal ornithopter. 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 5080-5086.
Rose, C. 2015. Modeling and Control of an Ornithopter for Non-Equilibrium Maneuvers. Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley, Technical Report No. UCB/EECS-2015-250.
Shukolyukov, S. A. 2001. Discovering the achievements of the American cockroach. UniSci / Daily University Science News, September 27, 2001.

























2017年1月9日 星期一

『臺博新知』:可從空氣中高效集水的新仿生表面

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

收集空氣中的水,面臨的主要挑戰是如何控制水滴大小、形成速度及其流向。特別是在炎熱的乾旱地區,從空氣中收集的冷凝水滴落速度必須比蒸發速度快,因此水滴的快速生長和傳輸是重要關鍵。美國哈佛大學工程與應用科學學院和韋斯生物啟發工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)研究團隊今(2016)年3月已發表一種仿生「超滑不對稱圓凸」(slippery asymmetric bumps)表面,具比現有空氣集水材料高6倍的集水效率,能在更短時間內從空氣中收集和運輸更大的水量。
仿生納米布沙漠甲蟲、仙人掌和豬籠草的超滑不對稱圓凸表面,能從空氣中高效集水,開發應用將可解決乾旱地區的缺水問題(繪製者:王美乃)。
新仿生表面結合納米布沙漠甲蟲(Namib desert beetles)、仙人掌和豬籠草三類生物特性,設計出一種高性能仿生機制定量模型,可整合及增加現有空氣集水系統的效益。研究團隊將薄鋁片利用3D列印聚合物模板製成圓凸(bumps)形、矩形和平面等形狀試驗,又比較圓凸形表面與具奈米結構的疏水平坦表面的效果,測試結果證明圓凸形表面具有最高的凝水功效。

這項技術未來可成為從含水空氣中收集水分的重要解決方案,汲取空氣中蘊含卻未被利用的近15萬億升水,開發更有效的集水無源系統,從空氣中獲取水分飲用或灌溉、引導流入水庫系統、應用於工業熱交換器等相變化導熱(phase-change heat-transfer)等,解決隨著氣候日益乾旱導致的缺水困境;甚或在多霧乾旱地區,收集霧水還可減少對機場飛機起降的影響。

納米布沙漠甲蟲(Namib Desert beetle)屬於鞘翅目(Coleoptera)擬步行蟲科(Tenebrionidae),包括Onymacris laeviceps、O. unguicularis、Physasterna cribripes、Stenocara gracilipes等數種,生活於非洲西南海岸納米布沙漠,演化出在乾旱地區從潮濕空氣中獲取水分的特殊本領。以體長約1.5公分的P. cribripes為例,稱為「翅鞘」(Elytra)的特化堅硬前翅就像一個充滿許多不對稱圓凸的殼,覆蓋後翅和腹部,每個圓凸直徑約0.5mm,高約0.4mm,頂端具親水性;各圓凸間距約0.5-1.5mm,圓凸間的斜坡和低谷覆蓋一層疏水性蠟質。當棲地充滿霧氣或因日夜溫差可能結露時,沙漠甲蟲會爬上沙丘,利用一種特稱為「沐霧」(fog-basking)的行為攝取水分,身體以45度角對準風向、曝露於濕氣中,約十分鐘翅鞘表面就會形成直徑約1-40µm的微水滴,順著疏水性斜坡向下、經過胸部和頭部而滾滑到口中,科學家認為甲蟲的翅鞘表面結構結合此行為模式才能有效從空氣中集水。
沐霧的納米布沙漠甲蟲(Physasterna cribripes)會利用翅鞘上的不對稱圓凸從空氣中收集水分(圖片來源:歐陽盛芝)。
能在乾旱和沙漠地區存活的仙人掌科(Cactaceae)植物,最大特徵是葉片特化成短刺狀,以減少水分蒸發和流失,透過尖刺(spines)和莖收集空氣中的霧氣或露水利用。例如白烏帽子仙人掌(Opuntia microdasys)的表面就覆蓋著微米和奈米級結構,莖上有許多排列整齊的成簇針狀尖刺和毛狀體(trichomes),各毛狀體間距約7-23mm,一個毛狀體約含100根尖刺,每根尖刺類似錐形,直徑約30-65µm,長度約800-2,500µm,由頂端到底部有由窄變寬的多層次梯度凹槽(gradient grooves),尖刺頂端有尖角和環狀生長的定向倒鉤(oriented barbs),底部是帶狀結構的毛狀體。潮濕空氣中的水氣最初會在尖刺的倒鉤上凝結沈積成微水滴,因表面自由能梯度(Surface-Free Energy,指表面上自由能的量會隨著表面積增加而增加,因而產生的能量差)和拉普拉斯壓力梯度(Laplace Pressure,指表面內部和外部間的壓力差)而聚集成越接近底部越大的水滴,而尖刺的不對稱表面結構和梯度凹槽讓水滴單向滾動和擴展,迫使水滴違反地心引力、從每個尖刺的尖端沿著梯度凹槽、定向移動到底部的毛狀體,半秒內即被莖吸收。黑王丸仙人掌(Copiapoa cinerea)一個晚上每平方公尺最多可收集到0.72±0.006公升的露水,可證這種表面結構形成有效的水分收集系統。

肉食性豬籠草屬(Nepenthes)植物的葉片特化成捕蟲籠,籠口唇部具有特殊多層次結構的超親水性表面,分泌的蜜汁與大雨或露水結合形成濕潤光滑的液膜,使被誘來的昆蟲很容易從唇部邊緣滑落到底部的消化液,成為豬籠草的食物。2011年研究團隊即曾仿生二齒豬籠草(Nepenthes bicalcarata),開發出「注液光滑多孔表面」(slippery liquid-infused porous surfaces,簡稱SLIPS),具有極端的液滴移動性和滑落、形成優異的熱接觸,因此擁有最小液滴體積的冷凝滴落、導致高冷凝效率的特性,具良好集水功效。

由於沙漠甲蟲的沐霧行為在特定角度才能集水,因此研究團隊結合仙人掌結構,讓凝集的水滴可定向輸送,加快集水效率。經試驗得知,仿生表面的不對稱圓凸曲率半徑越小,凝結的微水滴直徑越大;當微水滴定向移動時,圓凸起和不對稱性的組合促使微水滴在脫落路徑上聚集、且更快增長,促使微水滴因圓凸起的不對稱坡度所致毛細管力間的相互作用及表面自由能的增加,被引導朝向底部更寬的區域移動、加速脫落,更加快重新集水過程的循環。這款新仿生新表面使用礦物油製造SLIPS奈米塗層,讓表面零磨擦、具自我修復功能,完成結合三種生物優點的仿生超滑超滑不對稱圓凸表面,可在更短時間內收集和運輸更多水量,因而建立高性能仿生機制定量模型,應用時可根據需求改變仿生材質和圓凸曲率等條件。此新技術還可改善目前如Airdrop灌溉系統水泵、非洲集霧用薄膜、自動蓄水水壺、渴不死背包、戶外運動用自動蓄水水瓶、各種材料及塗層等利用超親水和疏水原理從空氣中集水的既有商品,有效增加集水功效。

(以上新聞編譯自2016年3月3日發行之Nature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:2017/1/5

本單元學術名稱:生物醫農>動物學

標籤:可從空氣中高效集水的新仿生表面

資料來源:
Park, K.-C., P. Kim, A. Grinthal, N. He, D. Fox, J. C. Weaver, and J. Aizenberg. 2016. Condensation on slippery asymmetric bumps. Nature, 531 (7592): 78-82 (+ 13 pp. Supplementary Information).

Guadarrama-Cetina, J., A. Mongruel, M.-G. Medici, E. Baquero, a. R. Parker, I. Milimouk-Melnytchuk, W. González-Viñas, and D. Beysens. 2014. Dew condensation on desert beetle skin. The European Physical Journal E, 37: 109-1-6 (http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2014-14109-y).

Ju, J., H. Bai, Y. Zheng, T. Zhao, R. Fang, and L. Jiang. 2012. A multi-structural and multi-functional integrated fog collection system in cactus. Nature Communications, 3: 1247-1-6 (+ 11 pp. Supplementary Information )(http://dx.doi.org/10.1038/ncomms2253).

延伸學習:
Nørgaard, T. and M. Dacke. 2010. Fog-basking behavior and water collection efficiency in Namib Desert Darkling beetles. Frontiers in Zoology, 7: 23-1-8 (http://dx.doi.org/10.1186/1742-9994-7-23).

Malik, F. T., R. M. Clement, D. T. Gethin, W. Krawszik, and A. R. Parker. Nature’s moisture harvesters: a comparative review. 2014. Bioinspiration & Biomimetics, 9(3): 031002-1- (http://dx.doi.org/10.1088/1748-3182/9/3/031002).

Malik, F. T., R. M. Clement, D. T. Gethin, D. Beysens, R. E. Cohen, W. Krawszik, and A. R. Parker. 2015. Dew harvesting efficiency of four species of cacti. Bioinspiration & Biomimetics, 10(3): 036005-1-15 (http://dx.doi.org/10.1088/1748-3190/10/3/036005).

Wong T. S., S. H. Kang, S. K. Y. Tang, E. J. Smythe, B. D. Hatton, A. Grinthal, and J. Aizenberg. 2011. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature, 477(7365): 443-447 (+ 17pp. Supplementary Information).

Zhai, L., M. C. Berg, F. C. Cebeci, Y. Kim, J. M. MIlwid, M. F. Rubner, and R. E. Cohen. 2006. Patterned superhydrophobic surfaces:  toward a synthetic mimic of the Namib Desert beetle. Nano Letters, 6(6): 1213-1217.




2017年1月2日 星期一

『臺博新知』:水能倒流的仿生豬籠草人造薄膜

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

科學家發現豬籠草捕蟲籠唇部的液體竟能克服地心引力,可沿著單一方向從低處往高處快速流動,現已成功揭露水分定向連續運輸原理和機制,研發出能使液體無動力單向流動的仿生豬籠草人造薄膜,可不費力地讓水倒流,經測試這款具親水性表面薄膜的液體運輸速度6秒鐘可倒流上升約3公分距離。這項研究成果可應用於設計新型定向流體運輸系統,目前相關技術合作團隊已申請專利,將建立產業化基地。
仿生豬籠草人造薄膜無須動力就能讓水快速倒流,將可用於新型定向流體運輸系統,並擴及其他領域應用(繪製者:王美乃)。
此為北京航空航天大學張德遠及陳華偉教授,聯合中國科學院化學研究所江雷院士組成團隊的研究成果,今(2016)年4月發表於《自然》(Nature)期刊,這種無功耗的微量輸運未來可在乾旱或沙漠地區不耗能的汲取地下水、建構農業遠程運輸灌溉系統、運送水、油或其他流體,有效節約動力及能源;在醫療方面可製造點滴注射非動力遞送微藥物裝置,避免易因地心引力阻塞藥液傳輸的現況,或作為手術刀表面以防止軟組織沾黏,提高手術精準度及節省手術時間:也能應用於機械自潤滑及抗磨損、微機電系統、飛行器表面防冰等各方面。
翼狀豬籠草(Nepenthes alata)為菲律賓特有種,因人工栽培容易,包括臺灣在內的各國均曾廣泛栽植(圖片來源:歐陽盛芝)。
研究團隊的仿生對象是菲律賓特有的熱帶食蟲植物翼狀豬籠草(Nepenthes alata,又稱為紅豬籠草),在園藝界屬於容易栽培、且廣泛栽植的物種之一,本種捕蟲籠長度為10-15公分,籠口邊緣具有稱為「唇部」(peristome)的拱形環狀組織,從內緣至外緣的寬度約1-2公分,看似光滑的唇部表面其實有多級棱槽結構,每個寬度約461.72±49.93μm的微棱槽通道,內含約10個寬度50.18±6.18μm的縱向二級細棱小通道,由整齊排列間距約100μm的弧形微腔組成。微腔向上傾斜,弧形的尖端指向外部,具有傾斜梯度的楔形角穿過唇部垂直部分,顯示微腔端部閉合,閉合處輕微傾斜、且邊緣尖銳,各相鄰微腔間部分重疊,液體就儲存其中。這種分層結構(multiscale structure)能確保液體從捕蟲籠蒸發後會凝結在唇部內緣,繼而被連續定向搬運分散至整個唇部表面,使唇部保持濕滑。當昆蟲站在由雨水、露水或蜜汁等潤濕的唇部表面時,就很容易滑倒落入籠內,被豬籠草分解吸收。

他們深入探討豬籠草唇部的微觀結構特徵和液體移動機制,發現聚集於唇部內緣的微水滴在幾秒鐘內即可運輸到外緣,但外緣的微水滴卻不能向內緣移動。測試含藍色墨水的水分擴散過程得知,水會固定在微腔內側端的尖銳邊緣,形成水針(water pinning),造成負壓鎖住液體,並防止水從唇部外緣向內緣運送。因此水會先沿著微腔的楔形角擴散,利用毛細現象(即液體在細管狀物體內側,因內聚力與附著力的差異,會克服地心引力而上升)使水面不斷升高,然後把空氣排除、並充滿微腔,最後留在微腔前方。而且一個微腔還沒有完全填滿水時,就會開始填充重疊的相鄰微腔,透過不斷重覆灌滿有梯度差的微腔,將水一級一級往上搬運,就能完全不耗費能量,從內緣運輸到外緣,完成水的連續定向運輸。若楔形角的角度越小,單向搬運的速度就越快。

研究團隊根據豬籠草捕蟲籠唇部表面的微結構和液體運輸機制,進行數學分析和建立理論模型,採用複製模製法,以聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)成功製造出仿生人造豬籠草唇部表面薄膜。測試發現僅親水性的PDMS表面才能實現液體定向運輸功能,且微水滴在親水性表面的接觸角臨界值要小於65°(以往認為疏水性和親水性間的臨界值為90°)。當這款人造薄膜表面的親水性越高,水的傳輸速度越快,最快速度可達每秒78±12公釐,且性能越持久,呈現無須動力就能定向連續運輸水分由低處往高處流的現象。藉由本研究理論計算模型,以及相關科技和材料科學的進步,未來還可因應不同需求調整仿生人造薄膜表面的材質和結構,擴大應用層面。

(以上新聞編譯自2016年4月7日發行之Nature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:2016/12/29

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:水能倒流的仿生豬籠草人造薄膜

資料來源:
Chen, H. W., P. F. Zhang, L. W. Zhang, H. L. Liu, Y. Jiang, D. Y. Zhang, Z. W. Han, and L. Jiang. 2016. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature, 532(7597): 85-89 (+ 11pp. Supplementary Information).

延伸學習:
翼狀豬籠草。2016。維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BF%BC%E7%8B%
80%E8%B1%AC%E7%B1%A0%E8%8D%89(瀏覽日期:2016/11/15)。
Ren, L. Q. 2016. New advances in biomimetic surface. Science China Technological Sciences, 59(10): 1619-1620.







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