臺灣博物館；你的博物館: 『臺博新知』：仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

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

由以色列與美國科學家共同研發的仿生巨骨舌魚（Arapaima gigas）硬鱗魚皮，由硬的剛性不透明白色材料丙烯酸光聚合物（acrylic-based photo-polymer）VeroWhite（簡稱VW）、和類橡膠材料的軟彈性體TangoPlus（簡稱TP）組合成堅韌且硬度高的新型材料。未來可根據個人需求或身體不同部位，例如使手肘和膝蓋位置更有彈性，或加強上半身的防穿透性能，客製化不同強度和彈性等級的局部保護和彈性性能服裝。可研發用於軍方的超輕柔仿生防彈和防刺之野戰軍服，無須重型防彈插板就能有效阻擋子彈、彈片、尖刀的攻擊，且不影響行動；或用於製作新型太空衣，保護太空人避免被隕石、空間碎片、和輻射等傷害。

仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮，可製成野戰軍服或太空衣，有效阻擋子彈、尖刀、和輻射等傷害（繪製者：王美乃）。

與鋸脂鯉亞科（Serrasalminae）的食人魚一樣廣泛分布於南美洲的亞馬遜河，被稱為活化石的巨骨舌魚，最早出現於一億年前，成魚體長可達3公尺，重達200公斤，是世界上大型淡水魚之一，因體型巨大，多採伏擊方式，張開巨口瞬間吸入獵物，或是甩動魚尾擊倒或擊碎獵物骨骼，又名巨滑舌魚、海象、象魚、大頭巨骨舌魚，俗稱巨龍、腰帶魚，屬於條鰭魚綱（Actinopterygii）巨骨舌魚目（Osteoglossiformes）巨骨舌魚科（Osteoglossidae）。魚體由類似天然盔甲般的硬鱗包覆保護柔軟的魚皮和軟組織，仍能靈活地自由彎折和游動，最外層的堅硬魚鱗彼此重疊排列互鎖成波紋結構，可彎曲和扭曲，並分散每片魚鱗被食人魚咬合時的壓力，以減輕損傷，導致即使咬斷微小利齒仍吃不到魚肉的食人魚只好撤退，因此幾乎不會成為獵物。

巨骨舌魚（Arapaima gigas）分布於南美洲的亞馬遜河，類似天然盔甲的堅硬魚鱗能有效防護食人魚的攻擊（圖片來源：歐陽盛芝）。

這項發明由以色列理工學院（Technion-Israel Institute of Technology）魯迪克（Stephan Rudykh）助理教授，在美國麻省理工學院從事博士後研究時，與該校奧蒂茲（Christine Ortiz）教授、哥倫比亞大學博伊斯（Mary C. Boyce）教授組成研究團隊，於2015年2月在《軟物質》（Soft Matter）期刊發表。研究團隊採用多材料3D列印機Objet Connex500列印上部VW魚鱗層與底部TP魚皮層兩種感光聚合物材料，高度各為5公釐，兩者構成總高度x長度x面外深度為10x150x20公釐的試樣。VW材料列印成白色仿生魚鱗，剛性板厚度0.5公釐，楊氏模量（Young’s modulus，彈性材料承受正向應力時會產生正向應變，在形變量未超過對應材料的彈性限度時，正向應力與正向應變的比值）為1.2吉帕（Gpa，Gpa=109Pa=109N/m2，壓強單位，等於每平方公尺109牛頓）；TP材料列印成透明軟基質的仿生魚皮，楊氏模量為0.78 兆帕（Mpa，Mpa=106Pa=106N/m2）。另外為測試複合材料試樣的機械性能，列印組裝成不同變因試樣作為對照組，包括相對於TP層傾斜角為10、20、30、45度，及容積百分率為0.1、0.2、0.3、0.4的VW魚鱗層剛性材料。還有容積百分率為1.0的全硬雙層VW魚鱗、和容積百分率為0.0的同質全軟雙層TP魚皮樣本。

他們用壓痕測試結果計算穿透剛度，結果顯示壓痕力隨VW容積百分率增加而增加，在固定壓痕深度時依VW魚鱗層傾斜角度增加而減少；也因複合材料的不同響應由TP層變形機制控制，VW魚鱗層的低傾斜角度和高容積百分率可提供最大穿透阻力，穿透剛度隨壓痕深度增加而增加，同時降低彈性。以三點彎曲試驗結果估算彈性時，顯示複合材料的彈性隨VW容積百分率的增加、和VW魚鱗層傾斜角的減少而降低；在較小的傾斜角度時，容積百分率增加會導致相對彎曲剛度顯著增加。

由於試樣的彎曲行為幾乎為線性，剛度不會因出現變形顯著變化，但隨VW容積百分率增加、會加強彎曲行為，研究團隊認為VW容積百分率約0.3，對大部分VW魚鱗層的傾斜角度而言，能表現最佳抗穿透性和彈性；並且已製出仿生魚皮彈性僅降低5倍，而整體強度（抗穿透力）提高40倍的仿生硬鱗魚皮。他們還藉由調整VW魚鱗的容積百分率和傾斜角度等參數，改變仿生魚鱗和魚皮的結構、變形及特性條件，例如更動VW魚鱗旋轉、彎曲、和TP魚皮間剪切的機制等，就可組裝成高彈性、強化保護、和靈活性的複合材料。未來將繼續強化魚鱗本身的微奈米結構，或採用較堅硬的材料如超強纖維凱芙拉（kevlar®）製造魚鱗，以達到更強的保護效果。

（以上新聞編譯自2015年2月20日發行之Soft Matter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：2017/4/6

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

資料來源：
Rudykh, S., C. Ortiz, and M. C. Boyce. 2015. Flexibility and protection by design: imbricated hybrid microstructures of bio-inspired armor. Soft Matter, 11(13): 2547-2554.

延伸學習：

巨骨舌魚。2017。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A8%E9%AA%A8%

E8%88%8C%E9%B1%BC（瀏覽日期：2017/02/24）。

楊氏模量。2017。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9D%A8%E6%B0%8F%

E6%A8%A1%E9%87%8F（瀏覽日期：2017/02/28）。

American Technion Society. 2015. Tough, fish scale-like material with soft flexibility could protect soldiers, astronauts. ScienceDaily, March 12, 2015.

Gray, R. 2015. The body armour inspired by FISH: scaly material could lead to uniforms that can withstand bullets and knives. Daily Mail Online / Science, April 7, 2015.

Howard, B. C. 2013. (Newly re-described) Arapaima: freshwater species of the week. National Geographic / Voices, April 20, 2013.