『臺博新知』：可從空氣中高效集水的新仿生表面

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

收集空氣中的水，面臨的主要挑戰是如何控制水滴大小、形成速度及其流向。特別是在炎熱的乾旱地區，從空氣中收集的冷凝水滴落速度必須比蒸發速度快，因此水滴的快速生長和傳輸是重要關鍵。美國哈佛大學工程與應用科學學院和韋斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）研究團隊今（2016）年3月已發表一種仿生「超滑不對稱圓凸」（slippery asymmetric bumps）表面，具比現有空氣集水材料高6倍的集水效率，能在更短時間內從空氣中收集和運輸更大的水量。

仿生納米布沙漠甲蟲、仙人掌和豬籠草的超滑不對稱圓凸表面，能從空氣中高效集水，開發應用將可解決乾旱地區的缺水問題（繪製者：王美乃）。

新仿生表面結合納米布沙漠甲蟲（Namib desert beetles）、仙人掌和豬籠草三類生物特性，設計出一種高性能仿生機制定量模型，可整合及增加現有空氣集水系統的效益。研究團隊將薄鋁片利用3D列印聚合物模板製成圓凸（bumps）形、矩形和平面等形狀試驗，又比較圓凸形表面與具奈米結構的疏水平坦表面的效果，測試結果證明圓凸形表面具有最高的凝水功效。

這項技術未來可成為從含水空氣中收集水分的重要解決方案，汲取空氣中蘊含卻未被利用的近15萬億升水，開發更有效的集水無源系統，從空氣中獲取水分飲用或灌溉、引導流入水庫系統、應用於工業熱交換器等相變化導熱（phase-change heat-transfer）等，解決隨著氣候日益乾旱導致的缺水困境；甚或在多霧乾旱地區，收集霧水還可減少對機場飛機起降的影響。

納米布沙漠甲蟲（Namib Desert beetle）屬於鞘翅目（Coleoptera）擬步行蟲科（Tenebrionidae），包括Onymacris laeviceps、O. unguicularis、Physasterna cribripes、Stenocara gracilipes等數種，生活於非洲西南海岸納米布沙漠，演化出在乾旱地區從潮濕空氣中獲取水分的特殊本領。以體長約1.5公分的P. cribripes為例，稱為「翅鞘」（Elytra）的特化堅硬前翅就像一個充滿許多不對稱圓凸的殼，覆蓋後翅和腹部，每個圓凸直徑約0.5mm，高約0.4mm，頂端具親水性；各圓凸間距約0.5-1.5mm，圓凸間的斜坡和低谷覆蓋一層疏水性蠟質。當棲地充滿霧氣或因日夜溫差可能結露時，沙漠甲蟲會爬上沙丘，利用一種特稱為「沐霧」（fog-basking）的行為攝取水分，身體以45度角對準風向、曝露於濕氣中，約十分鐘翅鞘表面就會形成直徑約1-40µm的微水滴，順著疏水性斜坡向下、經過胸部和頭部而滾滑到口中，科學家認為甲蟲的翅鞘表面結構結合此行為模式才能有效從空氣中集水。

沐霧的納米布沙漠甲蟲（Physasterna cribripes）會利用翅鞘上的不對稱圓凸從空氣中收集水分（圖片來源：歐陽盛芝）。

能在乾旱和沙漠地區存活的仙人掌科（Cactaceae）植物，最大特徵是葉片特化成短刺狀，以減少水分蒸發和流失，透過尖刺（spines）和莖收集空氣中的霧氣或露水利用。例如白烏帽子仙人掌（Opuntia microdasys）的表面就覆蓋著微米和奈米級結構，莖上有許多排列整齊的成簇針狀尖刺和毛狀體（trichomes），各毛狀體間距約7-23mm，一個毛狀體約含100根尖刺，每根尖刺類似錐形，直徑約30-65µm，長度約800-2,500µm，由頂端到底部有由窄變寬的多層次梯度凹槽（gradient grooves），尖刺頂端有尖角和環狀生長的定向倒鉤（oriented barbs），底部是帶狀結構的毛狀體。潮濕空氣中的水氣最初會在尖刺的倒鉤上凝結沈積成微水滴，因表面自由能梯度（Surface-Free Energy，指表面上自由能的量會隨著表面積增加而增加，因而產生的能量差）和拉普拉斯壓力梯度（Laplace Pressure，指表面內部和外部間的壓力差）而聚集成越接近底部越大的水滴，而尖刺的不對稱表面結構和梯度凹槽讓水滴單向滾動和擴展，迫使水滴違反地心引力、從每個尖刺的尖端沿著梯度凹槽、定向移動到底部的毛狀體，半秒內即被莖吸收。黑王丸仙人掌（Copiapoa cinerea）一個晚上每平方公尺最多可收集到0.72±0.006公升的露水，可證這種表面結構形成有效的水分收集系統。

肉食性豬籠草屬（Nepenthes）植物的葉片特化成捕蟲籠，籠口唇部具有特殊多層次結構的超親水性表面，分泌的蜜汁與大雨或露水結合形成濕潤光滑的液膜，使被誘來的昆蟲很容易從唇部邊緣滑落到底部的消化液，成為豬籠草的食物。2011年研究團隊即曾仿生二齒豬籠草（Nepenthes bicalcarata），開發出「注液光滑多孔表面」（slippery liquid-infused porous surfaces，簡稱SLIPS），具有極端的液滴移動性和滑落、形成優異的熱接觸，因此擁有最小液滴體積的冷凝滴落、導致高冷凝效率的特性，具良好集水功效。

由於沙漠甲蟲的沐霧行為在特定角度才能集水，因此研究團隊結合仙人掌結構，讓凝集的水滴可定向輸送，加快集水效率。經試驗得知，仿生表面的不對稱圓凸曲率半徑越小，凝結的微水滴直徑越大；當微水滴定向移動時，圓凸起和不對稱性的組合促使微水滴在脫落路徑上聚集、且更快增長，促使微水滴因圓凸起的不對稱坡度所致毛細管力間的相互作用及表面自由能的增加，被引導朝向底部更寬的區域移動、加速脫落，更加快重新集水過程的循環。這款新仿生新表面使用礦物油製造SLIPS奈米塗層，讓表面零磨擦、具自我修復功能，完成結合三種生物優點的仿生超滑超滑不對稱圓凸表面，可在更短時間內收集和運輸更多水量，因而建立高性能仿生機制定量模型，應用時可根據需求改變仿生材質和圓凸曲率等條件。此新技術還可改善目前如Airdrop灌溉系統水泵、非洲集霧用薄膜、自動蓄水水壺、渴不死背包、戶外運動用自動蓄水水瓶、各種材料及塗層等利用超親水和疏水原理從空氣中集水的既有商品，有效增加集水功效。

（以上新聞編譯自2016年3月3日發行之Nature期刊等）

（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：2017/1/5

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：可從空氣中高效集水的新仿生表面

資料來源：

Park, K.-C., P. Kim, A. Grinthal, N. He, D. Fox, J. C. Weaver, and J. Aizenberg. 2016. Condensation on slippery asymmetric bumps. Nature, 531 (7592): 78-82 (+ 13 pp. Supplementary Information).

Guadarrama-Cetina, J., A. Mongruel, M.-G. Medici, E. Baquero, a. R. Parker, I. Milimouk-Melnytchuk, W. González-Viñas, and D. Beysens. 2014. Dew condensation on desert beetle skin. The European Physical Journal E, 37: 109-1-6 (http://dx.doi.org/10.1140/epje/i2014-14109-y).

Ju, J., H. Bai, Y. Zheng, T. Zhao, R. Fang, and L. Jiang. 2012. A multi-structural and multi-functional integrated fog collection system in cactus. Nature Communications, 3: 1247-1-6 (+ 11 pp. Supplementary Information )(http://dx.doi.org/10.1038/ncomms2253).

延伸學習：

Nørgaard, T. and M. Dacke. 2010. Fog-basking behavior and water collection efficiency in Namib Desert Darkling beetles. Frontiers in Zoology, 7: 23-1-8 (http://dx.doi.org/10.1186/1742-9994-7-23).

Malik, F. T., R. M. Clement, D. T. Gethin, W. Krawszik, and A. R. Parker. Nature’s moisture harvesters: a comparative review. 2014. Bioinspiration & Biomimetics, 9(3): 031002-1- (http://dx.doi.org/10.1088/1748-3182/9/3/031002).

Malik, F. T., R. M. Clement, D. T. Gethin, D. Beysens, R. E. Cohen, W. Krawszik, and A. R. Parker. 2015. Dew harvesting efficiency of four species of cacti. Bioinspiration & Biomimetics, 10(3): 036005-1-15 (http://dx.doi.org/10.1088/1748-3190/10/3/036005).

Wong T. S., S. H. Kang, S. K. Y. Tang, E. J. Smythe, B. D. Hatton, A. Grinthal, and J. Aizenberg. 2011. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature, 477(7365): 443-447 (+ 17pp. Supplementary Information).

Zhai, L., M. C. Berg, F. C. Cebeci, Y. Kim, J. M. MIlwid, M. F. Rubner, and R. E. Cohen. 2006. Patterned superhydrophobic surfaces:  toward a synthetic mimic of the Namib Desert beetle. Nano Letters, 6(6): 1213-1217.

『臺博新知』：水能倒流的仿生豬籠草人造薄膜

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

科學家發現豬籠草捕蟲籠唇部的液體竟能克服地心引力，可沿著單一方向從低處往高處快速流動，現已成功揭露水分定向連續運輸原理和機制，研發出能使液體無動力單向流動的仿生豬籠草人造薄膜，可不費力地讓水倒流，經測試這款具親水性表面薄膜的液體運輸速度6秒鐘可倒流上升約3公分距離。這項研究成果可應用於設計新型定向流體運輸系統，目前相關技術合作團隊已申請專利，將建立產業化基地。

仿生豬籠草人造薄膜無須動力就能讓水快速倒流，將可用於新型定向流體運輸系統，並擴及其他領域應用（繪製者：王美乃）。

此為北京航空航天大學張德遠及陳華偉教授，聯合中國科學院化學研究所江雷院士組成團隊的研究成果，今（2016）年4月發表於《自然》（Nature）期刊，這種無功耗的微量輸運未來可在乾旱或沙漠地區不耗能的汲取地下水、建構農業遠程運輸灌溉系統、運送水、油或其他流體，有效節約動力及能源；在醫療方面可製造點滴注射非動力遞送微藥物裝置，避免易因地心引力阻塞藥液傳輸的現況，或作為手術刀表面以防止軟組織沾黏，提高手術精準度及節省手術時間：也能應用於機械自潤滑及抗磨損、微機電系統、飛行器表面防冰等各方面。

翼狀豬籠草（Nepenthes alata）為菲律賓特有種，因人工栽培容易，包括臺灣在內的各國均曾廣泛栽植（圖片來源：歐陽盛芝）。

研究團隊的仿生對象是菲律賓特有的熱帶食蟲植物翼狀豬籠草（Nepenthes alata，又稱為紅豬籠草），在園藝界屬於容易栽培、且廣泛栽植的物種之一，本種捕蟲籠長度為10-15公分，籠口邊緣具有稱為「唇部」（peristome）的拱形環狀組織，從內緣至外緣的寬度約1-2公分，看似光滑的唇部表面其實有多級棱槽結構，每個寬度約461.72±49.93μm的微棱槽通道，內含約10個寬度50.18±6.18μm的縱向二級細棱小通道，由整齊排列間距約100μm的弧形微腔組成。微腔向上傾斜，弧形的尖端指向外部，具有傾斜梯度的楔形角穿過唇部垂直部分，顯示微腔端部閉合，閉合處輕微傾斜、且邊緣尖銳，各相鄰微腔間部分重疊，液體就儲存其中。這種分層結構（multiscale structure）能確保液體從捕蟲籠蒸發後會凝結在唇部內緣，繼而被連續定向搬運分散至整個唇部表面，使唇部保持濕滑。當昆蟲站在由雨水、露水或蜜汁等潤濕的唇部表面時，就很容易滑倒落入籠內，被豬籠草分解吸收。

他們深入探討豬籠草唇部的微觀結構特徵和液體移動機制，發現聚集於唇部內緣的微水滴在幾秒鐘內即可運輸到外緣，但外緣的微水滴卻不能向內緣移動。測試含藍色墨水的水分擴散過程得知，水會固定在微腔內側端的尖銳邊緣，形成水針（water pinning），造成負壓鎖住液體，並防止水從唇部外緣向內緣運送。因此水會先沿著微腔的楔形角擴散，利用毛細現象（即液體在細管狀物體內側，因內聚力與附著力的差異，會克服地心引力而上升）使水面不斷升高，然後把空氣排除、並充滿微腔，最後留在微腔前方。而且一個微腔還沒有完全填滿水時，就會開始填充重疊的相鄰微腔，透過不斷重覆灌滿有梯度差的微腔，將水一級一級往上搬運，就能完全不耗費能量，從內緣運輸到外緣，完成水的連續定向運輸。若楔形角的角度越小，單向搬運的速度就越快。

研究團隊根據豬籠草捕蟲籠唇部表面的微結構和液體運輸機制，進行數學分析和建立理論模型，採用複製模製法，以聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，簡稱PDMS）成功製造出仿生人造豬籠草唇部表面薄膜。測試發現僅親水性的PDMS表面才能實現液體定向運輸功能，且微水滴在親水性表面的接觸角臨界值要小於65°（以往認為疏水性和親水性間的臨界值為90°）。當這款人造薄膜表面的親水性越高，水的傳輸速度越快，最快速度可達每秒78±12公釐，且性能越持久，呈現無須動力就能定向連續運輸水分由低處往高處流的現象。藉由本研究理論計算模型，以及相關科技和材料科學的進步，未來還可因應不同需求調整仿生人造薄膜表面的材質和結構，擴大應用層面。

（以上新聞編譯自2016年4月7日發行之Nature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：2016/12/29

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學
標籤：水能倒流的仿生豬籠草人造薄膜

資料來源：
Chen, H. W., P. F. Zhang, L. W. Zhang, H. L. Liu, Y. Jiang, D. Y. Zhang, Z. W. Han, and L. Jiang. 2016. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature, 532(7597): 85-89 (+ 11pp. Supplementary Information).

延伸學習：
翼狀豬籠草。2016。維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%BF%BC%E7%8B%
80%E8%B1%AC%E7%B1%A0%E8%8D%89（瀏覽日期：2016/11/15）。
Ren, L. Q. 2016. New advances in biomimetic surface. Science China Technological Sciences, 59(10): 1619-1620.

『臺博新知』：仿生企鵝羽毛新材料可防冰抗凍

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

企鵝通常生活在平均溫度在攝氏零下49度的南極，能在如此寒冷的棲地活動卻未凍成冰塊的秘密，就成為科學家探討的主題。中國北京航空航天大學與中國科學院理化技術研究所等跨機構研究團隊，發現洪堡企鵝（Spheniscus humboldti）羽毛具有防水和防止結冰的微觀結構，研發出由聚醯亞胺（Polyimide）奈米纖維電紡絲（electrospinning）製成的仿生防冰疊層奈米纖維薄膜，並提出這種羽毛的疏水性和抗凍性模型，除能有效防水外，其防凍效果更優於絕緣材質。
 

企鵝羽毛能防水和防止結冰，據此研發的仿生聚醯亞胺奈米纖維膜具更佳的疏水防冰抗凍效果（繪製者：王美乃）。

這項成果今（2016）年2月發表於美國《物理化學期刊C》（The Journal of Physical Chemistry C），未來可用以製造防止表面結冰的材料，運用在需要防止結冰的場合，例如製成適合嚴寒或極端條件的超級保暖防寒衣物用品、應用於船舶和飛機表面的抗凍防冰塗層、在深海、高山或極地使用的輸油管、海底電纜等各項管線設備的絕緣層表面、航太工業的太空裝置設備、建物屋頂或外牆、冷凍空調或其他電氣設備的外殼或零件管線等，即使遭遇致命的冰雪風暴也不會因結冰導致破裂故障。  

分布於非洲西南岸的黑腳企鵝（Spheniscus demersus）又名非洲企鵝，是洪堡企鵝的近親（圖片來源：林士傑）。

洪堡企鵝屬於企鵝科（Spheniscidae），又名漢波德企鵝或洪氏環企鵝，胸前環繞一道寬帶就像圍著黑色的圍巾，在國際自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄列為易危等級，是一種不會飛行、卻很會潛水的鳥類。本種分布在南美洲秘魯和智利沿岸到南緯40度，生活環境相對較溫暖，不低於攝氏零下10度，但也是常年生活在冰天雪地的環境中，需潛入低於冰點的海水中游泳覓食。牠們的鱗片狀羽毛特別短小但較厚，羽軸（rachis）寬短，羽片狹窄密集、重疊密接，均勻覆蓋體表，可防止海水滲透皮膚，並具保溫絕緣功效，即使在嚴寒低溫環境下，羽毛卻幾乎不會結霜或結冰，顯示優異的抗凍和防冰性。

 以掃描電子顯微鏡觀察洪堡企鵝的羽毛有羽軸和兩片羽片，羽片上的倒鉤（barb）長度5-7mm，直徑25-30μm，沿著羽軸以20度角平行排列，倒鉤上有小羽枝（barbules），平均長度約300μm，直徑約7μm，排列方式類似支架，小羽枝上有許多鉤狀剛毛（hamuli），並以間距約20μm，直徑約3μm垂直鉤在小羽枝上，這些鉤狀剛毛互鉤後構成嚴密的立體微結構網絡，形成很多縝密的皺褶；倒鉤尖端有少許鉤狀剛毛，相鄰倒鉤間距為幾微米至幾十微米，沿著倒鉤方向有約100nm深的定向奈米級凹槽（oriented nanoscaled grooves）。

  

洪堡企鵝羽毛表面的微米級和奈米級分層粗糙結構能有效防止水分的浸潤，被粗糙微結構（即皺褶空間）捕獲的氣泡（air pockets）還可減少羽毛和水滴間的表面接觸面積，形成有效的熱屏障，阻止結冰期間的熱傳導，並降低冰黏附強度，因此企鵝翅膀表面不易結冰。以3μL體積水滴測試，發現它的平衡靜態接觸角（equilibrium static contact angle）達147度，顯示疏水性，儘管鉤狀剛毛的存在增強粗糙度及增加羽毛的疏水性，但增加的特定表面積卻加強了微水滴黏附，當單一含鉤狀剛毛的倒鉤表面和水滴間達到黏附力最大值23.4μN時，羽毛的斥水性會藉著倒鉤和小羽枝直徑和間距變化而增大，有效減弱水和冰晶的黏附。

  

研究團隊在不對稱電極上利用高壓電的電紡絲技術，使用聚醯亞胺奈米纖維模仿企鵝羽毛製造非常薄的輻射扇形羽毛，直徑為100-500nm，均勻且具有平滑的表面，相鄰纖維間的距離為幾微米至幾十微米，類似企鵝羽毛倒鉤尖端的結構。製造過程中其餘的奈米纖維隨機堆疊在輻射扇形的奈米纖維上，形成嚴密立體微結構網絡的仿生「聚醯亞胺奈米纖維膜」（polyimide nanofiber membrane），獨特疊層微結構形成表面化學物質的梯度密度（gradient density），成為接觸角和黏附力所需梯度變化，透過增加相鄰纖維間的距離，可固定微水滴的聚結而有效防止冰的黏附。測試時水滴在膜表面近似球形，具有非常卓越的超疏水性，且奈米纖維排列密集、間隙很小，彼此重疊形成的疊層使水滴不易滲透，比企鵝羽毛更不吸濕，用攝氏零下5度的冰水噴灑數小時也不會結冰，兼具良好的耐熱性。因此仿生聚醯亞胺奈米纖維膜的性能不僅優於真正的企鵝羽毛，而且未來可因應功能需求依其疏水性和抗凍性模型調整，產製出不同應用領域的相關防冰抗凍商品。

 

（以上新聞編譯自2016年2月10日發行之The Journal of Physical ChemistryＣ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：2016/12/22

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生企鵝羽毛新材料可防冰抗凍

資料來源：

Wang, S., Z. Yang, G. Gong, J. Wang, J. Wu, S. Yang, and L. Jiang. 2016. Icephobicity of penguins Spheniscus humboldti and an artificial replica of penguin feather with air-infused hierarchical rough structures. The Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120: 15923-15929 (+ 2pp. Supporting Information) (http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b12298).

延伸學習：

漢波德企鵝。2016。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BC%A2%E6%B3%A2%

E5%BE%B7%E4%BC%81%E9%B5%9D（瀏覽日期：2016/11/24）。

American Chemical Society. 2016. What makes penguin feathers ice-proof. Phys Org / News, February 24, 2016.

Monahan, P. 2016. How penguins stay ice-proof. Science / News, February 26, 2016.