『臺博新知』：電子皮膚仿生安班加豹變色龍

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

美國史丹佛大學鮑哲南（Zhenan Bao）教授組成跨系研究團隊已研發一款互動式電子皮膚（e-skin，簡稱電子皮膚PSEC），能透過各種觸覺加壓及不同力度的持續時間控制拉伸和變色，由可拉伸的電阻壓力感應材料（pressure sensor，簡稱PS）和有機電致變色材料（electrochromic devices，簡稱ECD）整合製成，電子皮膚的顏色變化也可用來區分所承受之壓力。這款發明係仿生安班加豹變色龍（Ambanja panther chameleon，Furcifer pardalis）的皮膚變色機制，2015年8月在《自然通訊》（Nature Communications）期刊正式發表，最終目標是開發模仿人類皮膚功能和特性的仿生人造皮膚，應用於人工智慧和醫療等領域。

仿生安班加豹變色龍變色機制的電子皮膚，具有拉伸、變色、和感測壓力等特性（繪製者：王美乃）。

變色龍以變色聞名，其皮膚具備整合彈性、變色、和觸覺感應的複雜能力，透過潛意識控制變色，主因為情緒，以及光照、溫度、濕度等因素變換體色，表達情緒、身體狀況、調節溫度、偽裝、迴避捕食者、吸引配偶、和交流訊息。其中安班加豹變色龍體色最為華麗多變，是豹變色龍的許多品種之一，屬於爬蟲綱（Reptilia）有鱗目（Squamata）避役科（Chamaeleonidae），原產於馬達加斯加北部的安班加縣，各產地品種雖都是馬達加斯加的特有種，但均具特定原始體色可供區辨。變色機制是皮膚內含有色素、能反射光線、並發出彩虹色光芒的S及D上下重疊的兩層彩虹色素細胞（S-iridophores and D-iridophores），細胞內有許多不同形狀、尺寸、和排列的鳥嘌呤（guanine）奈米晶體（nanocrystals），這種奈米晶體屬於能控制光的週期結構，亦稱為「光子晶體」（photonic crystals）。

原產於東非的傑克森變色龍（Trioceros jacksonii）與豹變色龍同科，雄龍頭上有三隻角，在世界各地已成為被飼養繁殖的寵物（圖片來源：林士傑）。

當豹變色龍改變S彩虹色素細胞層細胞內光子晶體的排列結構，即可變化光的折射而改變皮膚顏色。皮膚放鬆時光子晶體排列緊密，較易反射短波長光線如藍色；皮膚緊繃時光子晶體排列鬆散、且間距增大，較易反射長波長光線如黃、橙和紅色等。在此之下的D彩虹色素細胞層細胞內光子晶體外形相對較大，功能為智能隔熱板，與變色無關，能反射近45%的近紅外線輻射能量，可幫助保持涼爽。透過調整S彩虹色素細胞層細胞的放鬆及舒張與D彩虹色素細胞層細胞的相輔相成，透過調整S彩虹色素細胞層細胞的放鬆及舒張與D彩虹色素細胞層細胞的相輔相成，有更多彈性調控熱能，得以生存適應於不同氣候環境。

研究團隊仿生安班加豹變色龍的變色機制，研發電介質壓力感應及有機電致變色兩種材料，前者由彈性微結構聚合材料製成，能隨壓力改變電壓，是最關鍵的功能；後者由彈性電致變色聚合材料製成，能隨電壓變紅或藍。他們先以矽模製作具有高34微米（μm = 10-6m）、頂部10×10平方微米、基底50×50平方微米、和塔間間距41微米的金字塔微結構的聚二甲基矽氧烷（PDMS），表面噴塗單層碳奈米管（single-wall carbon nanotubes，簡稱SWNT），再用1、10、30千帕（Kpa，Kpa=103Pa=103N/m2，壓強單位，等於每平方公尺103牛頓）三種不同壓力調整SWNT在PDMS金字塔微結構上的高度，最後在上方置放含SWNT塗層平坦表面PDMS的相對電極（counter electrode），完成高敏感、透明、可拉伸、和可調整電阻範圍及電阻切換閾值的柔性PS電介質壓力感應材料。由於SWNT具導電功能、柔軟性佳、可拉伸兩倍以上、回復時形成小彈簧狀並保持高導電率，塗布於透明的PDMS表面亦呈現透明度，使製成的電子皮膚可模仿人類不同膚色，兼具觸摸和正常握力性能，達到可互動效果。

有機電致變色材料則選用能與壓力感應材料整合，兼具易製造、多色、可協調顏色、和低功耗等特性的材質，他們以具彈性和生物相容性的PDMS為基板，噴塗SWNT薄層作為透明電極，再旋塗電致變色層的聚3-己基噻吩（Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)，簡稱P3HT），形成聚合物薄膜，然後刷塗凝膠電解質，最後在上方置放含SWNT塗層平坦表面PDMS的相對電極製成。變色聚合物P3HT中性時顯示深紅色，最大吸收波長為550奈米（nm=10-9m）；氧化時呈現淺藍色，最大吸收波長為800奈米。若以1.2微米超薄聚萘二甲酸乙二醇酯（polyethylene naphthalate，簡稱PEN）或聚酯（聚對苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate，簡稱PET）膜取代原始的PDMS基板層，可製成每平方公分僅重9.3毫克（相同面積混紡棉重16.7毫克）、適用可穿戴電子產品的超輕薄有機電致變色材料。

測試時研究團隊把壓力感應材料貼在絨毛泰迪小熊的熊掌，並連接小熊腹部的電致變色材料。當輕握（壓力約50千帕）熊掌時，暗紅色的電致變色材料變成藍灰色，鬆手即變回暗紅色；大力（約200千帕）壓握時則變成淡藍色。證明手握的壓力使壓力感應材料電阻下降，造成電致變色材料的電壓升高，P3HT的化學結構改變而影響其吸收光譜，導致顏色變換，壓力消除後會迅速逆轉回復原色。雖然目前僅能在紅、藍色間轉變，若改用其他種電致變色材料就能呈現更多顏色。

結合兩種材料製成的仿生電子皮膚首創可拉伸、變色、和感測壓力三項特性，未來可與衣服、智慧型手機、智能手錶等可穿戴或攜帶設備整合各種顏色，成為互動式裝飾、或用來表達情緒；亦可利用感測壓力特性分辨承受的表面壓力，監測士兵操練時的健康；還能研發模仿人類皮膚的外觀及功能，廣泛運用於人造義肢、有觸覺的智能機器人等方面。

（以上新聞編譯自2015年8月24日發行之Nature Communications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：2017/3/30

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：電子皮膚仿生安班加豹變色龍

資料來源：

Chou, H-H., A. Nguyen, A. Chortos, J. W. F. To, C. Lu, J. Mei, T. Kurosawa, W.-G. Bae, J. B.-H. Tok, and Z. Bao. 2015. A chameleon-inspired stretchable electronic skin with interactive colour changing controlled by tactile sensing. Nature Communications, 6: 8011-1-10 (+ 3pp. Supplementary information).

延伸學習：

豹紋變色龍。2017。台灣Wiki，http://www.twwiki.com/wiki/%E8%B1%B9%E7%B4%8B%

E8%AE%8A%E8%89%B2%E9%BE%8D（瀏覽日期：2017/02/14）。

豹變色龍Panther chameleon。2017。物種概述。動物世界，http://www.iltaw.com/

Animal/1023（瀏覽日期：2017/02/15）。

臧亞萍、狄重安、朱道本。2016。“觸動＂腦神經的電子皮膚。科學通報，61(11): 1146-1147。

Teyssier, J, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 6: 6368-1-7 (+6pp. Supplementary Information).