2016年10月31日 星期一

『臺博新知』:仿生章魚材料的變色和偽裝技術



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
2016)年3美軍邀請英國軍隊實地測試由以色列Polaris Solutions公司研發的一款仿生章魚高科技靜態偽裝材料「威泰克」(Vatec),質輕能製成任何顏色及形狀,或使用於戰車外殼或武器塗層上,也可配合任何地形以躲過敵人視線,還能躲開紅外線和熱追蹤儀器的搜索。科學家已經開始繼續研發「動態偽裝」技術,未來能隨部隊身處的環境,例如沙漠或森林而隨時變色偽裝。

章魚的變色和偽裝技巧可啟發仿生材料的相關應用技術(繪製者:王美乃)。



章魚具有所有的海洋動物中首屈一指的偽裝技巧,包括改變姿態、皮膚結構及色彩功能等機制,以達到擬態隱身自保的目的。它的皮膚分為色素層(chromatophores)、虹彩層(iridophores)、及白色層(leucophores),透過這三層細胞的合作,就能改變細胞的透明度、反射能力、色素排列、自主發光,造成色彩變化。其魔術般的變色本領來自於皮膚下面隱藏的96,000個色素細胞(chromatophores),但卻不是使用色素的傳遞和移動,而是透過最表層色素層的細胞彈性囊(cytoelastic sacculus)變形來改變色彩,不同顏色的色素顆粒被包圍在彈性囊中,肌纖維透過收縮和舒張來控制肌肉,藉由改變這些囊的形狀或大小,使色素細胞改變顏色深淺;中間的虹彩層則是由細胞水平排列成很多薄層,在神經訊號刺激下,透過調整角度和厚度,就能反射或偏振出類似亮片的光澤;最底層的白色層細胞含有反光蛋白(reflectin),幾乎能反射所有可見光。

麝香章魚(Eledone moschata)有細長的捲曲觸手,普遍分布於地中海(圖片來源:歐陽盛芝)。  




研究人員也發現章魚可用皮膚感知光線,當一束明亮的光照在它的皮膚上面,色素細胞就會隨之膨脹,再移開的時候再放鬆下來,因此當章魚在恐慌、激動、興奮等情緒變化時,皮膚也會改變顏色,一次最多可以變出六種,和周圍幾乎一樣,很難辨識它的存在,所以能藉此捕捉獵物和躲避敵害,因此許多科學家都參考章魚皮膚變色的原理作為仿生變色科技的參考。
麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT趙選賀教授帶領的研究團隊就發出一種仿生章魚聚合物可作為人造色素細胞,透過使用含有數以千計可感知周邊顏色的微小元件,進行「視覺外觀調整」(visual appearance modulation),將光波轉為電信號,使用熱敏染料實現數秒之內的顏色轉變,用於對環境顏色進行模仿。這種稱作「電機化學反應彈性體」electro-mechano-chemically responsive elastomersEMCR elastomers)的反應性聚合物智能材料,具有類似生物大分子獨特的結構設計,結合彈性體(elastomer)和會因光導致變色與應力產生變形效應的「螺吡喃機械應力聚合物」(spiropyran mechanophores),當受到電流刺激時會改變顏色並發出強烈的螢光訊號,能隨外界環境如溫度、化學試劑、酸鹼度、電場、磁場、機械力和光照等而產生分子結構的性能變化,活化過程像生物般具可逆性,並能重複循環進行。這種仿生變色材料具備卓越的機械性能,光照或受力便會改變結構,產生電流,若再結合金屬複合材料,就能產生特定顏色的變色及發光,因此被視為「動態偽裝」技術的基礎,據稱已在研發應用於隱形斗篷或戰車表面塗裝等大面積的物體上,5年後即可望應用於戰場。
未來建築物外牆就可能隨氣溫變色,變色的水龍頭也能告訴我們水溫,甚至人類可用穿戴式顯示器變色來表達情緒和資訊,成為我們與機器人互動的方式之一,實際應用於醫療保健、交通運輸、電子通訊、國防防禦等領域。
(以上新聞編譯自201671日發行之Journal of Applied Mechanics雜誌等)
(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:2016/10/27
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生章魚材料的變色和偽裝技術
資料來源:
Takaffoli, K., T. Zhang, D. Parks, and X. Zhao. 2016. Mechanochemically responsive viscoelastic elastomers. Journal of Applied Mechanics, 83(7): 071007-1-10.
Wang, Q., G. R. Gossweiler, S. L. Craig, and Z. Zhao. 2014. Cephalopod-inspired design of Eelectro-mechano-chemically responsive elastomers for on-demand fluorescent Patterning. Nature Communications, 5(4899): 1-9.
延伸學習:
Sun, J.-Y., X. Zhao, W. R. K. Illeperuma, O. Chaudhuri, K. H. Oh, and D. J. Mooney, J. J. Vlassak, and Z. Suo. 2012. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature, 489(7414): 133-136.

2016年10月24日 星期一

『臺博新知』:仿生蜻蜓翅膀應用於微流體技術



賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝/國立臺灣博物館
李冬齡/美國馬里蘭大學植物學研究所博士
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
仿生蜻蜓翅膀將可以黑矽(black silicon, bSi)為製造材料,應用於DNA晶片等微流體技術(microfluidics),這類微奈米結構的製造過程需要精確與嚴格控制,必須在無污染、灰塵、髒污、濕氣、或感染等的無塵環境中進行。特殊結構的殺菌應用也有潛力延伸至需要保持超級清潔、乾燥、無菌環境的手術器械、管線、或診斷工具等醫藥領域,當然也能普及日常的食品包裝。
黑矽是半導體和太陽能業界熟知的矽晶圓或矽晶片材料,原料為二氧化矽(Silicon, SiO2),經過不同製程加工後得到的產品,因為純度和功能而有不同用途,由於材料經過處理之後表面會抗反射和吸收可見光,顏色轉變成黑色,故稱為黑矽,其性能高且能量消耗低,常用來製造太陽能電池,經由黑矽表面特有的奈米結構使可吸收之太陽光譜增加及降低反射,以提高太陽能電池對太陽光的吸收率。
仿生蜻蜓翅膀結構可用來保持無菌並結合微流體技術運用(繪製者:王美乃)。


澳大利亞和西班牙微生物學家合作的國際研究團隊,稍早已發現蟬翼表面的奈米突起(奈米柱)可以抵抗常隨機造成人類肺炎、尿道或傷口感染的綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa),推論只要表面結構類似者應有相似效果,因此另外選用翅膀和蟬翼一樣透明的紅藍小蜻蜓(Diplacodes bipunctata)作為實驗對象。觀察發現其翅膀的奈米突起以直徑低於90奈米甚至低於30奈米的S形曲線分布,高度為240奈米,比鳴蟬翼奈米突起直徑50-70奈米的規則排列分布,高度為200奈米明顯更高、更細,可滿足更高抗菌力需求。

雌性霜白蜻蜓(Orthetrum prulnosum),本種為雌雄異型,是臺灣常見的蜻蜓(圖片來源:林士傑)。



由於用於光電、感測、和生物醫學方面的合成奈米材料黑矽表面結構與蟬翼及蜻蜓翅膀類似,這個研究團隊2013年就曾試驗以活性離子蝕刻技術(Reactive ion etching, RIE)製出的黑矽嘗試仿生蜻蜓翅膀,結果確認黑矽的表面奈米突起直徑為20-28奈米的雙峰分布,高度為500奈米,殺菌效果與紅藍小蜻蜓類似。這項新技術能消滅存在皮膚表面及上呼吸道黏膜常引起食物中毒的金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和與炭疽桿菌(Bacillus anthracis)同屬的枯草桿菌(B. subtills)菌體和內孢子,並且在3小時的培養試驗時間內,其平均滅殺率可達每平方公分每分鐘殺死超過約45萬個細胞,滅菌量比金黃色葡萄球菌致病的最低數量高810倍,更達綠膿桿菌感染致病數量的77,400倍。
2015年曾為團隊成員的哈桑(Jafar Hasan)博士返回印度後,改用微機電常用的活性離子深蝕刻技術(Deep reactive ion etching, DRIE),以矽晶圓(silicon wafer)仿生蜻蜓翅膀表面特性,其奈米突起直徑為220奈米的極端尖峰分布,高度為4,000奈米,成功製造出具有物理性殺菌活性表面結構的「超級表面」(super surface)。奈米突起越高則細菌就越不易接觸到奈米柱底層,因此抗菌效果越好。「超級表面」的奈米突起高度約為蜻蜓翅膀表面的17倍,也較2013年試驗的黑矽高約8倍,證實具有開發應用潛力。
目前使用的微晶片如基因晶片、蛋白質晶片等生物晶片功能非常有限,其實它還可開發出生物電腦、基因與蛋白質測序、質譜和色譜等分析系統,也就是把整個實驗室包括採樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等功能,集結在微晶片上。因此未來仿生蜻蜓翅膀的黑矽「超級表面」若結合微流體技術,可擴大和延伸應用層面,但目前製造費用相對高昂。美國的研究團隊今(2016)年曾嚐試以壓克力成功的製作出仿生蟬翼表面的奈米突起,卻無法成功模擬蜻蜓翅膀,移除鑄模時常造成細小突起的斷裂,類似烤過頭的杯子蛋糕黏在未塗油的蛋糕模型內壁,故仍持續試驗在鑄模內塗上氟矽烷塗料(fluorinated silane coatings)和不同材質的鑄模,希望能以其他經濟材料量產仿生蜻蜓翅膀的可能性。
(以上新聞編譯自20131126日發行之Nature communications雜誌等)
(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:2016/10/20
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生蜻蜓翅膀應用於微流體技術
資料來源:
Ivanova, E. P., J. Hasan, H. K. Webb, G. Gervinskas, S. Juodkazis, V. K. Truong, A. H. F. Wu, R. N. Lamb., V. A. Baulin, G. S. Watson, J. A. Watson, D. E. Mainwaring, and R. J. Crawford. 2013. Bactericidal activity of black silicon. Nature communications, 4(2838): 1-7.
Hasan, J., S. Raj, L. Yadav, and K. Chatterjee. 2015. Engineering a nanostructured “super surface” with superhydrophobic and superkilling properties. RSC Adv., 5: 44953-44959.
延伸學習:
林天送。2010。積體電路的發明。科學發展,(447): 72-74
晶圓。2016。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%99%B6%E5%9C%93(瀏覽日期:2016/10/01)。
微流控晶元。2016。台灣Wikihttp://www.twwiki.com/wiki/%E5%BE%AE%E6% B5%
81%E6%8E%A7%E6%99%B6%E5%85%83(瀏覽日期:2016/09/30)。
AFP. 2013. Germ-killing nanosurface opens up new front in hygiene (update). Phys.org / News, November 26, 2013.
Bernstein S. and K. Cottingham. 2016. Insect wings inspire antibacterial surfaces for corneal transplants, other medical devices. American Chemical Society / News / News Release, March 15, 2016.
Dickson, M. N., E. I. Liang, L. A. Rodriguez, N. Vollereaux, and A. F. Yee. 2015. Nanopatterned polymer surfaces with bactericidal properties. Biointerphases, 10(2): 021010-1-8.
Kowalski, K. 2016. Plastic that mimics insect wings kills bacteria. Science News for Students / Technology Microbes, March 15, 2016.

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