『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.