『臺博新知』：仿生螳螂蝦（二）：新型耐撞纖維強化複合材料

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

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

普渡大學（Purdue University）扎瓦蒂尼（Pablo D. Zavattieri）教授與哥倫比亞麥德林EAFIT大學（Universidad EAFIT）、加州大學河濱分校（University of California, Riverside）合組跨校研究團隊，研究雀尾螳螂蝦（Odontodactylus scyllarus）掠螯的棒狀指節結構，已研發出耐撞纖維強化複合材料，具有質輕、高強度、韌性、抗撞擊性等優點，可進一步開發防衝耐撞的防護裝備和器械，尤其是可能遭遇特殊溫度和壓力環境的太空船外殼和框架零件、各類運動保護裝備如足球頭盔、軍事防禦配備如防彈衣、鎧甲、裝甲車殼等，或變更材質和比例成為其他材料，運用於工業陶瓷等產業領域。相關研究成果於2015年9月發表在《生物材料學報》（Acta Biomaterialia）期刊。

新型耐撞纖維強化複合材料仿生雀尾螳螂蝦掠螯的棒狀指節（繪製者：黃正文）。

雀尾螳螂蝦又名蟬形齒指蝦蛄、紋華青龍蝦、孔雀螳螂蝦，體長約10-17公分，體色以綠色為主，多彩鮮艷，主要分布於包括臺灣的印度－西太平洋熱帶海域，是軟甲綱（Malacostraca）口足目（Stomatopoda）齒指蝦蛄科（Odontodactylidae）的粉碎型蝦蛄。常主動巡游獵食，當準備出擊時，會利用彈簧系統將棒狀指節和前節緊靠成相鄰顎足5倍厚的大頭棒，彈出時可增大衝擊力，攻擊時用超過子彈的速度伸展一對掠螯，以擴大如拳的棒狀指節踝部重擊獵物的防禦武器或保護硬殼，攻擊力量可高達1,500牛頓（N，使質量1公斤物體加速度達1m/s²時所需的力），加上形成的空穴效應再度衝撞獵物能造成雙重傷害，接著會先檢視獵物損傷狀況、以決定停止或再次出擊。牠們雖能有效破壞獵物，但本身得具耐撞抗裂特性，才能經得起數以千計的重複捶擊。

雀尾螳螂蝦（Odontodactylus scyllarus）的掠螯耐撞抗裂（圖片來源：歐陽盛芝）。

研究團隊採用斷層掃瞄，發現其外骨骼的電子密度以棒狀指節最高，具有極強的抗撞擊能力，經奈米級剖析，橫切面可分成撞擊區、週期區、和條紋區三個區域，硬度、韌度、和結構方向都不同。最外層的撞擊區含有結晶化、礦化、和增加硬度的羥磷灰石（hydroxyapatite，又稱為氫氧基磷灰石），下襯一層殼聚醣（Chitosan，脫乙醯幾丁質），可分散撞擊力並防止裂痕擴散；週期區是呈螺旋狀堆疊的幾丁質礦化纖維層，間隙填充碳酸鈣和磷酸鈣，每層平行的幾丁質纖維圓棒逐層從下方水平旋轉一個角度，形成類似軟墊、可吸收極高衝擊能量的類夾板結構，作用如同減震器，因為所含成分經週期性排列組合成近似聲子晶體（由兩種或兩種以上振動材料組成、會影響聲波的週期性結構）微結構，當剪切波通過時可產生能隙（半導體或絕緣體的電子能量差距，會影響其導電性）並過濾分散，產生優良的減震耐撞效果，由於是可過濾剪切波的類夾板螺旋結構，在獵食的重複高速衝擊下能避免損傷；條紋區位於側面，成分是沒有結晶化的羥磷灰石，因此硬度較低，可引導分散撞擊力量。此外，雀尾螳螂蝦的棒狀指節若在不斷強烈衝擊下產生小規模裂縫，也能透過週期區的螺旋結構將能量偏轉耗盡能量，防止裂縫擴大以維持完整，並藉著生長發育定期更新外骨骼，獲得更大更新的掠螯。

研究團隊模仿棒狀指節結構的聲子晶體，藉由控制微結構和幾何形狀，模製和操控波的介質，優化耐衝擊能力，開發出仿生的碳纖維環氧樹脂（carbon fiber-epoxy）複合材料板，由碳纖維環氧樹脂圓棒組成類夾板分層結構，具彈性模量和密度等機械性能的週期性，能過濾剪切波，具優異的減震功效。他們以環氧樹脂（epoxy）作為填充物，將具單向增強的碳纖維環氧樹脂預浸材料（carbon fiber epoxy prepreg）低溫真空固化，製造五組長、寬為3.5x1.8公分的複合材料板，具層取向不同排列的48層預浸材料層試樣，並用相同成分製成的另外兩種複合材料進行比較測試。第一款是單向結構，各纖維層均朝0度方向平行堆疊；第二款是擬等向性結構，依據商用飛機材料標準各層旋轉45度，第一層0度、第二層-45度、第三層45度、第四層90度等類似螺旋交替堆疊層；第三款是仿生螺旋結構，分別製作各層逐層旋轉7.8度、16.3度、和25.7度三種樣品。

衝擊測試係將固定重量垂直掉落在供試樣品表面，產生100焦耳（J，施加1牛頓作用力經1公尺距離所需的能量，使人喪失戰鬥力的彈頭動能為78.5焦耳）能量，然後使用超音波掃描，測量其外部損傷、凹痕深度、和內部損傷等，以評估撞擊時螺旋結構的抗衝擊性和能量吸收，並確定衝擊後的殘餘強度。結果第一款各層纖維斷裂並完全損壞，第二款產生從第一層穿透到底層的明顯纖維損傷，第三款都顯示僅一些纖維分裂磨損，並未被完全穿透，且凹陷較第二款減少20-50%，損傷呈橫向而非垂直擴散；壓縮樣品至斷裂的測試結果也顯示第三款在衝擊後的殘餘強度較第二款增加約15-20%，中和大的旋轉角度於衝擊後較少凹陷、具更大殘餘強度。研究團隊未來將就可能衝擊的頻譜，確定各纖維層的最佳旋轉角度、間距、層數、和厚度，以及不同複合材料組合和比例等變因優化設計。

（以上新聞編譯自2015年9月1日發行之Acta Biomaterialia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：2017/07/28

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生螳螂蝦（二）：新型耐撞纖維強化複合材料

資料來源：

Guarín-Zapata, N., J. Gomez, N. Yaraghi, D. Kisailus, and P. D. Zavattieri. 2015. Shear wave filtering in naturally-occurring Bouligand structures. Acta Biomaterialia, 23: 11–20.

延伸學習：

雀尾螳螂蝦。2017。百度百科，http://baike.baidu.com/item/%E9%9B%80%E5%B0%BE%

E8%9E%B3%E8%9E%82%E8%99%BE（瀏覽日期：2017/06/02）。

Grunenfelder, L. K., N. Suksangpanya, C. Salinas, G. Milliron, N. Yaraghi , S. Herrera, K. Evans-Lutterodt, S. R. Nutt, P. Zavattieri, and D. Kisailus. 2014. Bio-inspired impact-resistant composites. Acta Biomaterialia, 10(9): 3997–4008.

University of California-Riverside. 2015. Mantis shrimp inspires new body armor, football helmet design: researchers find mantis shrimp is naturally designed to survive the repeated high-velocity blows by filtering out certain frequencies of waves. ScienceDaily, June 17, 2015.

Venere, E. 2015. Creature's 'dactyl club' filters shear waves to resist damage. Purdue University News, June 16, 2015.

Weaver, J. C., G. W. Milliron, A. Miserez, K. Evans-Lutterodt, S. Herrera, I. Gallana, W. J. Mershon, B. Swanson, P. Zavattieri, E. DiMasi, and D. Kisailus. 2012. The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hamer. Science, 336(6086): 1275-1280.

『臺博新知』：仿生螳螂蝦（一）：天生刺客兼超級拳王

歐陽盛芝／國立臺灣博物館

歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

螳螂蝦（Mantis shrimp）泛指節肢動物門（Arthropoda）軟甲綱（Malacostraca）口足目（Stomatopoda）動物，已知約400多種，分布於熱帶和亞熱帶海洋，底棲性，常棲息於海床的淺坑或礁石洞穴中，獵食雙殼貝或單殼螺類、螃蟹、海膽、海葵、小魚、小蝦、沙蠶、或其他身體柔軟的動物。平均體長約15公分，最大可達46公分，身體分為8個胸節、6個腹節、和1個尾節，因胸部5對顎足中的第2對特化成超大且類似螳螂的鐮刀狀掠螯而得名，能以超過子彈的速度快速出擊，輕鬆穿刺魚體或打碎貝殼，或者擊裂強化玻璃水族缸，甚至將漁民手指割傷見骨，因此得到「拇指分裂者」名號；尾扇上則有許多增厚的稜脊和發達的棘刺，不僅能當身體快速彈跳的支撐點，也是防禦和攻擊的武器，可謂天生的刺客兼超級拳王。由於被動離水時會像撒尿般從腹部噴射透明無色液體，又稱為瀨尿蝦，俗名還包括蝦蛄、蝦爬子、蝦耙子、蝦狗彈、爬蝦、蝦虎、口蝦蛄、富貴蝦、琵琶蝦、皮皮蝦、官帽蝦等。

螳螂蝦依掠螯形狀和獵食行為可分為穿刺型和粉碎型（繪製者：黃正文）。

美國杜克大學（Duke University）帕特克（S. N. Patek）副教授曾和指導的博士生在2015年9月《形態》（Journal of Morphology）期刊發表相關研究成果，他們發現螳螂蝦的彈簧系統由外骨骼構成，能變形與抵抗變形；掠螯則分成長節（merus，簡稱M）、腕節（carpus，簡稱C）、前節（propodus，簡稱P）、和指節（dactyl，簡稱D）四部分；長節又細分腹桿（ventral bars，簡稱vb）、鞍座（saddle，簡稱s）、和V關節（meral-V，簡稱v）三區。因此依據掠螯形狀和獵食行為，將螳螂蝦分成穿刺型和粉碎型，結構上都具有較厚的腹桿，可提供活動時抵抗彈簧壓縮和減少撓曲剛度的結構支撐。試驗材料為三種穿剌型、四種粉碎型、及一種未分化型的加州半指蝦蛄（Hemisquilla californiensis）。

黑斑口蝦蛄（Oratosquilla kempi）是穿刺型蝦蛄（圖片來源：歐陽盛芝）。

穿刺型包括斑琴蝦蛄（Lysiosquillina maculata）、多毛假蝦蛄（Pseudosquilla ciliata）、和矮蝦蛄（Coronis scolopndra）三種，長節較細，每隻指節具有3-17個銳棘，常藏身在泥質或沙質的洞穴中守株待兔，只露出一對眼睛觀看，等到魚或蝦等獵物接近時，快速伸出掠螯、並打開鐮刀狀指節攻擊，碰觸後像鍘刀般迅速收合，利用銳棘穿刺獵物緊扣不放，再以後面第3至5對顎足將食物弄碎後取食，由於彈簧系統使掠螯的彈出速度飛快，即使運動敏捷的魚蝦也無法脫逃；牠們通常伏擊體壁較軟的軟殼獵物，雖然攻擊很快，掠螯彈出速度卻比粉碎型相對較慢。

粉碎型包括鐮狀獨指蝦蛄（Gonodactylaceus falcatus）、史氏指蝦蛄（Gonodactylus smithii）、新指蝦蛄（Neogonodactylus bredini）、及雀尾螳螂蝦（Odontodactylus scyllarus）四種，長節較粗，含有強健的肌肉，雖然指節上缺乏或僅具極少銳棘，但指節踝部卻堅硬擴大如拳，使其攻擊具強大破壞力，以主動巡遊方式出外覓食，看到獵物時就從後方接近，先攻擊如雙殼貝的硬殼或螃蟹的大螯等防禦武器，再連續伸出掠螯把保護外殼打碎，並將肉塊敲軟分解，帶回洞穴享用；攻擊後會檢視獵物損傷狀況，決定是否再次出擊、以節省能量消耗，偏愛肉含量較多的貝類，以最少的攻擊次數得到最大的獵食效率，通常撞擊體壁較硬的硬殼獵物，會在彈簧系統的長節中儲存彈性潛能，休息時V關節圍繞樞軸點向近側旋轉，壓縮鞍座緊靠長節側緣收好，攻擊時V關節向遠端旋轉到掠螯展開的靜止位置，導致與長節側緣間產生明顯空隙。

在此之前，帕特克博士就曾與加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）考德威爾（R. L. Caldwell）教授於2004年4月在《自然》（Nature）期刊發表雀尾螳螂蝦致命攻擊機制的研究成果，其掠螯的棒狀指節擊出最大速度可達每秒14-23公尺，角速度峰值為每秒670-990弧度（rad/s=1/2π赫茲，即單位時間轉過的角），在平均周期2.7毫秒（ms=10^-3s）時的加速度峰值達每秒平方65-104公里（Km/s²），棒狀指節的加速還能導致空穴效應（cavitation），是指在流動液體中產生極小的真空氣泡或空隙等空穴，當壓力變高使空穴分裂消滅，造成強力衝擊波的物理現象，又稱為空蝕現象、氣穴現象、氣蝕現象、或空洞現象。

2005年10月他們又於《實驗生物學》（The Journal of Experimental Biology）期刊發表此種的極端衝擊和空穴效應力量，證實掠螯快速伸展的棒狀指節，經彈簧系統驅動動力放大，會以超過點22口徑子彈的速度敲擊，達到10,400 重力加速度（g=9.8 m/s²），力量高達1,500牛頓（N，使質量1公斤物體加速度達1 m/s²時所需的力），造成本身重量1,000倍以上的爆炸性衝擊力，使周圍的水沸騰蒸發，形成氣蝕泡沫的空穴，空穴塌縮力量能將水溫提升至7,000克耳文（K=°C+273.15，熱力學溫度單位，溫度變化攝氏1度相當於變化1克耳文），產生海底衝擊波、再度衝撞獵物，故敲擊時未瞄準也會造成重大傷亡。此外，其他科學家發現螳螂蝦不僅是海洋中非常兇猛的獵食者，還具有學習和記憶能力，可透過超強視覺辨識鄰居和獵物，並發展出複雜的社會行為。

（以上新聞編譯自2015年9月發行之Journal of Morphology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：2017/07/28

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生螳螂蝦（一）：天生刺客兼超級拳王

資料來源：

Rosario, M. V. and S. N. Patek. 2015. Multilevel analysis of elastic morphology: The mantis shrimp's spring. Journal of Morphology, 276(9):1123-1135.

Patek, S. N. and R. L. Caldwell. 2005. Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp Odontodactylus scyllarus. The Journal of Experimental Biology, 208: 3655-3664.

Patek, S. N., W. L. Korff, and R. L. Caldwell. 2004. Deadly strike mechanism of a mantis shrimp: this shrimp packs a punch powerful enough to smash its prey’s shell underwater. Nature, 428: 819-820 (+3pp. Supplementary methods).

延伸學習：

空蝕現象。2017。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A9%BA%E7%A9%B4%

E7%8F%BE%E8%B1%A1（瀏覽日期：2017/06/06）。

陳紫媖。2009。蝦蛄－海中的最快拳擊手及辨色高手。行政院農業委員會水產試驗所電子報，第44期。

Mantis shrimp. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Mantis_shrimp (Visit date: 2017/06/03).

『臺博新知』：仿生蝙蝠（四）：回聲和壓力感應的導盲帽

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

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

德國科學家根據蝙蝠回聲定位原理，把以視覺或聽覺顯現的聲納系統，加上壓力偵測，開發出仿生頭戴式感覺裝置導盲帽（Proximity Hat），重量為300公克，外形可更換為工作帽、皮帶、或手環等多種型式，將可協助視障者行動，或應用於其他視線難辨的場所，例如充滿濃霧、濃煙、或黑暗未知的危險空間，協助消防人員和救災人員進入倒塌破損的建築物內救助受困者，也有助於洞窟探險或太空探勘等任務。由卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）貝格（Michael Beigl）教授領導的研究團隊於2015年9月在《國際可穿戴電腦研討會》（International Symposium on Wearable Computing）發表。

仿生導盲帽是模仿蝙蝠回聲定位及偵測壓力感應研發（繪製者：黃正文）。

蝙蝠能夠在夜間快速飛行活動，白天大多用後肢倒掛在樹枝、洞穴石壁、或建物中休息，是屬於翼手目（Chiroptera）的哺乳動物，分布很廣，除南極洲外幾乎遍及全球。以優異的聽覺最為著名，口中能夠發出人耳無法聽到的超音波，當接觸障礙反射回來，再以靈敏的耳朵接收這些回聲，傳遞訊息到大腦，判斷物體的距離、方向、和形狀，分析障礙物和自己本身的相對位置，建構出活動空間的立體地圖，不但不會撞到東西，還能準確飛抵目的地和執行覓食、求偶等各項活動。

葉鼻蝠在夜間飛行是靠回聲定位建構環境的立體地圖（圖片來源：歐陽盛芝）。

仿生導盲帽具有6個長、寬為5×5平方公分的超音波感應器、電池、和壓力墊等，感應器透過短帶狀電纜連接到電源及位於磁頭頂部的處理板，整個裝置組合成可戴在頭上的帽子，並配置容易打開和關閉的切換開關。每個超音波感應器偵測頻率達每秒50次，範圍從距離幾公分到幾公尺，掃瞄所有水平方向的空間、並涵蓋各個角度的障礙物，擁有360度無障礙視線與良好觸覺靈敏度。碰到障礙物後回彈的聲波觸動壓力墊給配戴者頭部特定壓力訊號，根據壓力大小測知物體的遠近距離，離障礙物越近、壓力越大，得到環境的相對空間地圖，建立環境立體空間感，以防止碰撞跌倒受傷。

研究團隊招募13名21-32歲、平均25.5歲的志願者進行靈敏度和感知力、迴避碰撞、空間理解、導航、及背景處理五項測試。靈敏度和感知力測試係讓受測者坐著接受不同的壓力刺激，結果偏移量非常接近理想零線，呈現很高的準確性，僅一位受測者有痛覺，因此校準所有測試的導航帽壓力值以消除差異；迴避碰撞測試讓受測者先在房間走動5分鐘習慣反應刺激後，再戴眼罩遮擋視覺進入房間，儘量走近牆壁停住、不得接觸牆面，結果最小距離為5公分，平均距離約25公分，有兩位的平均距離較大、各為47及55公分；空間理解試驗在方形房間的中心旋轉戴眼罩的受測者、使其迷失方向感，需在無碰撞情況找到敞開的門口出去，結果分辨率很低，39人次中僅有24人次於平均126秒內至少一次找到出口，部分在40秒內完成，雖然大多數受測者是沿著牆壁找到出口，但也有聽到出口傳出的聲音引導才找到，表示導盲帽不會影響使用者的聽覺。

導航測試則將戴眼罩的受測者帶到L形走道的一端，根據口頭指揮前行，再轉彎走進特定的門內，結果26人次中只有22人次（85%）完成測試，僅15人次（57%）找到正確的門，平均花費時間為159秒，大部分在轉彎時迷路，無法判斷正確行進方向、且發生輕微碰撞，分析原因係快速移動時回傳的訊號延遲，致使部分受測者無法分辨牆和門的壓力訊號差異，6個超音波感應器仍有死角，受測者必須轉頭才能偵測；背景處理測試要求受測者走完全長30公尺的筆直通道、並指出經過的每一道門，過程中會出現其他行人、請受測者計算簡單的數學問題以分散注意力，結果顯示受測者對空間仍存有陌生感、而無法選擇正確行進方向，導致遲疑、停止走動，但最後經過多次碰撞後都能完成任務，平均花費192秒。

測試結果顯示壓力可傳達細緻的信號，但是個人差異會影響使用經驗，尤其在陌生空間，戴上導航帽只靠幾句口頭指導無法達成任務，受測者對環境的空間理解會影響適應速度，需要更詳細映射空間導航，導航帽必須在不影響使用者步行速度的情況下，更快偵測和反應以得到更直接的體驗訊號；室內和戶外環境也有明顯差異，需要重新計算超音波感應器的最佳位置，以避免死角，達到完整覆蓋率；且當受測者沿著牆壁行走，會造成左右信號不對稱的問題，加上轉彎後如何正確定向導航、感應器故障時的備案等問題，都顯示導航帽仍須進一步優化，或於使用前施行教育訓練，應可加速使用者的適應期。

研究團隊認為未來導盲帽若搭配全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）與語音指導，有助於提升在陌生空間的導航效果，尤其是最新的定位技術和藍芽耳機，效果更佳。並且做為頭戴式裝置，還需要更複雜計算支援的應用，例如流動計算（mobile computing）、環境智能（ambient intelligence）、普適計算、電源管理（power management)、散熱片、軟體架構、無線和個人區域網路等整合應用；在硬體方面得研發加裝微型感應器、省電CPU、和高耐久的電源等。

（以上新聞編譯自2015年9月11日發行之International Symposium on Wearable Computing會議論文）

（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：2017/07/25

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生蝙蝠（四）：回聲和壓力感應的導盲帽

資料來源：

Berning, M., F. Braun, T. Riedel, and M. Beigl. 2015. ProximityHat- a head-worn system for subtle sensory augmentation with tactile stimulation. Proceeding of the 2015 ACM International Symposium on Wearable Computing (ISWC), 31-38.

延伸學習：

吳中信。2005。蝙蝠的回聲定位。科學教育月刊，(276): 11-15, 27。

Engineering 360 News Desk. 2016. Hat helps visually impaired sense proximity to objects. Engineering 360 (Powered by IEEE GlobalSpec), February 23, 2016.

ICT News editor. 2016. Proximity hat- cap-guide for blind people. ICT News, January 30, 2016.

Karlsruhe Institute of Technology. 2016. Feeling spaces with the “proximity hat”. ScienceDaily, January 28, 2016.