『臺博新知』：微型流量計仿生鯽魚側線系統

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

歐洲科學家研究鯽魚（Carassius auratus）等同水下聲納的側線系統（lateral line）感應機制，這種魚類特有的管狀感覺構造類似蝙蝠的聲納導航系統，具有避免碰撞、尋找獵物、兼具嗅覺、和定向輔助等功能，因而發明仿生微型流量計，可應用於流體計量核算、流程工業檢測和控制，例如偵測自來水系統和自動化控制大量流體、運用於水下聲納、人機互動與通訊、醫療保健和藥物注射的微流體系統等，且無論渾濁泥潭、低窪濕地、洪水淹沒的樓房或深海等環境，皆可探測環境的流體動態分布，協助民間或軍用勘測和救災。研究成果由德國波恩大學（University of Bonn）布萊克曼（Horst Bleckmann）博士與歐洲先進研究與研發中心（Center of Advanced European Studies and Research）合組的研究團隊於2015年8月發表在《微機械》（Micromachines）期刊。

仿生鯽魚側線的微型流量計可偵測控制流體和微流體系統等（繪製者：王美乃）。

鯽魚是歐亞地區常見的淡水魚，也是普遍養殖的食用魚，俗名鯽、土鯽、鯽瓜子、月鯽仔、細頭、鮒魚、寒鮒等，著名的觀賞魚金魚（Carassius auratus auratus）就是經人工育種產生的亞種。本種成魚體長約15-30公分，棲息於水草較多且水深超過20公尺的淺水域、溪流、或靜水域，主要取食藻類和小型底棲甲殼類，屬於條鰭魚綱（Actinopterygii）鯉形目（Cypriniformes）鯉科（Cyprinidae）。身體兩側鱗片上各有一條由許多側線孔形成的側線，從鰓蓋（operculum）延伸到尾鰭基部，也分布於頭部和尾鰭，側線孔下面連通成充滿黏液的側線管，管內具有神經細胞組成的機械感應器－神經丘（neuromasts），稱為管道神經丘（canal neuromasts），對水流加速度和局部壓力梯度差感應靈敏；分布於體表的神經丘則稱為表面神經丘（superficial neuromasts），對流速很敏感。

鯽魚（Carassius auratus）的側線系統相當於水下聲納（圖片來源：歐陽盛芝）。

鯽魚有240-320個管道神經丘和3,600-4,000個表面神經丘，每側位於頭部489±13個、魚體876±42個、尾鰭426±39個，平均1,928±85個。魚體每片鱗片上含0-13個、每個尺寸12-20×20-30微米（μm=10-6m）的橢圓形或紡錘狀表面神經丘，神經丘中央是大小為4-10×10-18微米、圓形或橢圓形的感覺上皮細胞，每個感覺上皮細胞含14-32個、平均19.8±5.1個毛細胞。一個毛細胞攜帶約20根頂纖毛（stereocilia）和一根長3-5微米動纖毛（Kinocilium），形成凝膠狀結構的纖毛束（ciliary bundles），構成長約40-45微米的壺腹帽（cupula）。當外界水流經鯽魚側線孔滲入，改變側線管內黏液的壓力，造成壓力梯度，使壺腹帽中纖毛束彎曲偏轉，導致毛細胞產生電響應，刺激神經丘釋放或傳遞訊息至腦部，鯽魚就能感知水壓大小、水流方向、水流速度、水中物體大小及位置等變化。

研究團隊模仿鯽魚側線的管道神經丘構造，採用微機電系統厚膜和薄膜技術，將聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，簡稱PDMS）蝕刻製造，組裝在玻璃基板上形成矽晶片及PDMS光導感應薄片，加裝調節光強度的LED燈、檢測光強度變化的光學檢測器、和可輸出信號的電子電路板，再以鋁外殼封包，製成仿生微型流量計，可從水流波動的時空傳遞（spatio-temporal propagation）測量整體流速。

試驗以自來水系統偵測流量，結果準確檢測每小時500-4,000公升（L/h）流量，可承受高達6巴（bar=105Pa=100kN/m2=1.0197Kg/cm2，6巴相當於每平方公分有6.12公斤）水壓。研究團隊分析測試數據創建數學模型，當改變流量計的合成管道結構為尖頂（diminutions）或隔片狀（septa）時，管道形狀和增加PDMS薄片距離皆會減少機械串擾（cross-talk，指信號間的互相干擾），增加仿生流量計的靈敏度；若改變管道的寬度和孔徑，結果得知當管道寬度與孔徑均為3公釐時最敏感。若以厚度10-200微米的PDMS膜密封管道孔，將流量計與流體分離，並用礦物油填充管道結構時，流量計仍能感測流體波動，薄膜的影響較小，但厚膜會減小流量計輸出信號的幅度，一旦PDMS膜厚度超過100微米，即不適合檢測流體波動。而填充流體的密度、黏度和折射率差異，與封膜的材質及厚度等，都會影響流量計的靈敏度。

研究團隊提出將仿生微型流量計的PDMS薄片的偏轉量改成微米級，就可適用於醫療微流體應用領域，例如血液和尿液等體液、或藥劑等微流體的分流檢測，防止污染測量系統。並可視不同用途調整光導PDMS薄片形狀、尺寸、厚度、光學檢測器、和感應器電子輸出設備，提升靈敏度和頻率響應動態範圍，擴增應用層面。

（以上新聞編譯自2015年8月24日發行之Micromachines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：2017/6/15

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：微型流量計仿生鯽魚側線系統

資料來源：

Herzog, H., S. Steltenkamp, A. Klein, S. Tätzner, E. Schulze, and H. Bleckmann. 2015. Micro-machined flow sensors mimicking lateral line canal neuromasts. Micromachines, 6(8): 1189-1212.

延伸學習：

鯽魚。2017。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B2%AB%E9%B1%BC（瀏覽日期：2017/05/24）。

Anke Schmitz, Horst Bleckmann, and Joachim Mogdans. 2008. Organization of the superficial neuromast system in goldfish, Carassius auratus. Journal of Morphology, 269(6): 751–761.

AskNature Team. 2015. Lateral line system acts as sonar. Asknature, November 29, 2015.