『臺灣博物』：智能可視保護硬膜仿生石鼈眼睛

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

美國科學家研究西印度石鼈（Acanthopleura granulata）的貝殼成分、結構、和功能，尤其是眼睛的光學系統，得知眼睛與貝殼均由生物礦化（biomineralization）的碳酸鈣（CaCO3）構成，因眼睛所含晶粒較大且以特定方式排列，不僅堅硬，還可監測周圍環境，看清楚超過2公尺距離的20公分魚或鳥等天敵，以硬殼和緊密吸貼岩石方式抵抗。研究團隊根據此結果測試及模擬其視覺解析度、辨識影像、和機械性能，並創建模型，未來將依據西印度石鼈貝殼表面三種構造模型，開發新型仿生智能可視保護硬膜，這是一種感光清晰和具強韌保護功能的新材料，有不怕水、不怕撞、不怕摔特性，可根據晶形結構、晶粒尺寸、排列規則性和方向性變化改變為眼睛或鎧甲功能，除能製造眼鏡、眼罩、手機、或安全帽等需要視野清楚的商業產品外，還可研發防彈頭盔、護盾、防爆盾牌、或坦克車外殼等軍事用途，未來甚至能用於機器人皮膚中多視覺感應成像。這項研究成果由美國麻省理工學院（MIT）奧蒂茲（Christine Ortiz）教授領導跨領域研究團隊，成員包括哈佛大學（Harvard University）、卡夫利生物奈米科學與技術研究所（Kavli Institute for Bionano Science and Technology）、南卡羅萊納大學（University of South Carolina）、及美國能源部阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）於2015年11月在《科學》（Science）期刊發表。

仿生石鼈眼睛的智能可視保護硬膜可變換為眼睛或鎧甲功能（繪製者：王美乃）。

西印度石鼈是夜行性原始貝類，身體扁平呈卵圓形，屬於軟體動物門（Mollusca）多板綱（Polyplacophora）新石鼈目（Neoloricata）石鼈科（Chitonidae），分布於佛羅里達州南部至墨西哥，往南到巴拿馬和西印度群島，棲息於潮間帶岩石或珊瑚礁的石縫或凹洞中，取食藻類等植物。貝殼僅生長於身體背面，由八片覆瓦狀排列的岩石般堅硬殼板組成，殼長約3-7公分，殼周圍有一圈稱為環帶的外套膜，身體腹面幾乎被用來爬行或吸附在岩石上的寬扁肉足佔滿；由於頭部和身體完全被殼板覆蓋，眼睛長在殼板邊緣，形成約一千個直徑小於0.1公釐的黑色斑點，較舊的眼睛接近殼板中心，這些眼睛難免遭到侵蝕或損傷，可隨貝殼生長而不斷更新，維持一千隻功能正常的眼睛同時運行，可提高對天敵或障礙的靈敏度、信噪比（指正常訊號與雜訊的比值，比值愈高效果愈佳）、及將假警報與真實威脅區分的能力。

西印度石鼈（Acanthopleura granulata）的眼睛和貝殼成分相同（圖片來源：歐陽盛芝）。

研究團隊觀察西印度石鼈的貝殼是透過有機分子在奈米尺度下，精確控制體內無機礦物結晶的生物礦化形成，表面可區分為三種突起構造，均由碳酸鈣以文石（aragonite，又稱霰石）晶型結構組成。第一種分布最廣，直徑約200微米（μm=10-6m）、高度約100微米的堅硬鎧甲突起，晶粒較小、排列不規則且方向不一致；另外兩種微突起位於鎧甲突起山峰間的平坦山谷內，其中第二種直徑約50微米的黑色突起，是被外徑86 ± 4微米含褐黑素（pheomelanin）暗區包圍的眼睛，可感光和辨識影像，表層為厚度5微米的角膜，然後是厚度38±2微米的水晶體，晶粒較大（平均粒徑約10微米）、排成一列且方向一致，能讓更多光線通過，並使光散射最小化以增加視覺解析度，更下方為非晶質（amorphous）層，分為有機質組成的L1層和含鈣L2層，最下面是深、寬為56±776±5微米的梨形專用眼室，體積是巨微眼腔室的5倍；第三種是近似眼睛大小的有孔突起，為可吸收光線的巨微眼（megalaesthetes），內具寬度約40微米的圓柱形腔室，眼睛和巨微眼的視網膜由100個感光細胞組成，下接視神經管，兩者的腔室內都有鈣化物質環繞視網膜成C形口袋，並藉著稱為微微眼（micraesthetes）的大量微小感覺孔從腔室分支到殼表。

研究團隊以魚來模擬和測試西印度石鼈一隻眼睛的成像力和解像力，發現水晶體能聚焦圖像傳送給視網膜，投射出魚的可辨識影像，證明西印度石鼈可以看清楚20公分物體的最遠距離約為2公尺。再對貝殼施加1牛頓（N，使質量1公斤物體的加速度達每平方秒1公尺時所需的力量）的力進行奈米壓痕測試，結果鎧甲突起區僅造成相對較小的永久變形，表現較大的機械完整性，但眼睛區卻明顯斷裂，平均載荷僅0.84±0.11牛頓；巨微眼區呈現微裂紋，表示一殼多用的構造仍會降低防禦強度，必須適度取得平衡。西印度石鼈經長期演化，已採用以較高大的鎧甲突起保護躲藏其中的眼睛和巨微眼、透過厚且堅硬的底層來彌補整個表層的機械弱點、大量的眼睛和巨微眼有助於減少殼體損傷等策略來補償。因此研究團隊創建電腦模型，將來使用碳酸鈣或其他種成分的相同材料，依需求改變晶形結構、晶粒尺寸、排列規則性和方向性變化即可改變使用功能，開發出如新型仿生智能可視保護硬膜等相關產品。

（以上新聞編譯自2015年11月20日發行之Science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：2017/7/13

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：智能可視保護硬膜仿生石鼈眼睛

資料來源：

Li, L., M. J. Connors, M. Kolle, G. T. England, D. I. Speciser, X. Xiao, J. Aizenberg, and C. Ortiz. 2015. Multifunctionality of chiton biomineralized armor with an integrated visual system. Science, 350(6263): 952-956 (+ 27 pp. Supplementary Materials).

延伸學習：

Chandler. D. L. 2015. Armor plating with built-in transparent ceramic eyes: tiny sea creatures feature transparent optical systems as tough as their shells. MIT News, November 19, 2015.

de Lazaro, E. 2015. Chitons see with ceramic eyes, new research show. Sci-News / Biology, November 23, 2015.

Pennisi, E. 2015. Crystalline eyes of chitons inspire materials scientists: mollusk makes hundreds of eyes from shell mineral. Science, 350(6263): 899.