『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

今（2016）年3月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研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 elastomers，EMCR 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2016年7月1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.