『臺博新知』：蟬翼殺菌功能將開發仿生殺菌器材

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝／國立臺灣博物館
李冬齡／美國馬里蘭大學植物學研究所博士

      蟬翼腐爛的速度較蟲體慢許多，死去的蟬在地面上不會像蟲體般耗損或污染，澳大利亞生物物理學家華生（Gregory S. Watson）教授因此深入研究細菌與蟬翼的作用關係，發現的這種天然表面特性能殺死細菌，甚至功能比化學藥品更好。未來醫院病房、門把、廚房料理桌可以應用此一生物科技而不需要任何一滴消毒劑、沸水或微波來消滅細菌，此被稱為「蟬翼防禦系統」（defence system）。

圖1. 蟬翼表面的奈米柱結構具有殺菌功效可開發仿生殺菌器材（繪製者：王美乃）。

華生教授和斯威本科技大學及西班牙學者組成國際研究團隊使用鳴蟬（Psaltoda claripennis）的翅膀作為樣本，其雙翅透明且具綠色翅脈，普遍分布於澳洲布里斯本，棲息於森林、灌木叢、後院、及花園，常成群出現在不太高的枝幹上休息；細菌則選用枯草桿菌（Bacillus subtilis NCIMB 3610T）、動性球菌（Planococcus  maritimus KMM 3738）、和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus CIP 65.8T）。他們將細菌置於蟬翼表面繁衍，一段時間後使用奈米級的原子力顯微鏡觀察發現，細菌的細胞壁及細胞膜接觸到蟬翼時會被翅膀上的錐狀突起結構撕裂。

圖2. 臺灣常見的黑色型草蟬（Mogannia hebes）也具有透明雙翅（圖片來源：林士傑）。

科學家從觀察得知蟬翼表面密佈排列有接近六角形的成排奈米柱結構，每一根奈米柱呈錐狀，直徑50到70奈米，高度約200奈米，間距為170奈米的規則排列，而細菌細胞約500到1,000奈米，比蟬翼的奈米柱間距大許多倍，所以當細菌落到蟬翼表面時，奈米柱會在三分鐘內穿透細菌的細胞壁及細胞膜瓦解其本體，造成細菌死亡，即使在奈米柱表面包覆一層金膜，也不會影響殺菌效果，因此證實蟬翼表面的殺菌效果是來自奈米柱的物理構造，類似一個水球落在滿佈鈍釘的表面，不甚鋒利的釘子並不會立即戳破氣球的外表，但隨著時間增長，水的重量會拖曳球體下陷於釘子之間，最終導致氣球破裂，如同落在蟬翼表面的細菌因此死亡。

美國加州大學爾灣分校的研究團隊去（2015）年也曾利用俗稱壓克力的聚酸甲酯（poly methyl methacrylate, PMMA）為材料，製造仿蟬翼的奈米柱結構，越密集的奈米柱殺菌效果越好，最多可降低大腸桿菌67%附著度、提高近1.5倍細菌死亡率。今（2016）年更進一步以成千的微小釘狀柱製作了一種仿蟬翼表面奈米柱構造的抗菌材質，由於能夠塑型成類似人類眼睛一樣的曲面，這種技術可以模擬無菌的人工眼角膜，預定年底前進入動物實驗階段，可幫助全球每年超過四萬需要移植眼角膜者不須等待捐贈而能恢復視力。

傳統的殺菌方式是用化學藥劑處理表面來殺菌，或是修改化學組成以防止細菌黏附，但都只有短期效用，而且殺菌化學藥劑還會產生抗藥性菌種，影響植入性醫材的生物相容性，未來利用材料表面的奈米構造殺菌可以避開原有的缺點。

（以上新聞編譯自2013年2月發行之Biophysical Journal雜誌等）

（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：2016/10/6

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：蟬翼殺菌功能將開發仿生殺菌器材

資料來源：

Pogodin, S., J. Hasan, V. A. Baulin, H. K. Webb, V. K. Truong, T. H. P. Nguyen, V. Boshkovikj, C. J. Fluke, G. S. Watson, J. A. Watson, R. J. Crawford, and E. P. Ivanova. 2013. Biophysical model of bacterial cell interactions with nanopatterned cicada wing surfaces. Biophysical Journal, 104(4): 835-840.

Dickson, M. N., E. I. Liang, L. A. Rodriguez, N. Vollereaux, and A. F. Yee. 2015. Nanopatterned polymer surfaces with bactericidal properties. Biointerphases, 10(2): 021010-1-8.

Ivanova, E. P., J. Hasan, H, K. Webb, V. K. Truong, G. S. Watson, J. A. Watson, V. A. Baulin, S. Pogodin, J. Y. Wang, M. J. Tobin, C. Löbbe, and R. J. Crawford. 2012. Natural bactericidal surfaces: mechanical rupture of Pseudomonas aeruginosa cells by cicada wings. Small, 8(16): 2489-2494.

Kowalski, K. 2016. Plastic that mimics insect wings kills bacteria. Science News for Students / Technology Microbes, March 15, 2016.

Yirka, B. 2013. Researchers find cicada wing structure able to kill bacteria on contact (w/video). Phys.org / News, March 6, 2013.

延伸學習：

Bernstein S. and K. Cottingham. 2016. Insect wings inspire antibacterial surfaces for corneal transplants, other medical devices. American Chemical Society / News / News Release, March 15, 2016.

Middleton, A. 2013. Human eye cells grown on cicada wings. Australian Geographic / News, March 27, 2013.

『臺博新知』：信天翁將有助於增加無人機的續航力

模仿信天翁的動態滑翔原理將可增加無人機的續航力（繪製者：王美乃）。

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

歐陽盛芝／國立臺灣博物館

李冬齡／美國馬里蘭大學植物學研究所博士

信天翁是自然界中的高效能飛行高手，飛行數千哩而不需要搧動翅膀。最近一項由法國生態演化研究中心的生物學家與德國慕尼黑科技大學（University of Technology, Munich）航太科技研究者合作的研究計畫已更深入了解信天翁利用「動態滑翔（dynamic soaring）」的飛行方式，這項結論將可應用於必須長時間留在空中的偵測用無人機，未來更可應用在大氣層飛行數周、甚至數月不需著陸，讓飛行器不需添加燃料即可繞行地球數月。

無人機（Drone）又稱為無人飛行載具（Unimanned Aerial Vehicle, UAV）、無人飛行器系統（Unmanned Aircraft System, UAS）或四軸飛行器（quad-copters），是指一種無需人從內部直接介入操作的飛行器，甚至已研發透過人工智慧執行獨立飛行任務的神經元無人機，預期未來可在複雜的飛行環境中自我校正、自動避開障礙、辨識和追蹤特定目標等，變成多功能的飛行機器人。但目前一般消費型的無人機僅能維持30分鐘以內的航行，如果安裝額外的感測器或視訊攝影鏡頭，會造成耗電而縮短飛行時間及距離，有些無人機因此突然墜落，影響地面安全且造成實質經濟損失，因此最極待突破的就是如何延長飛行時間。

信天翁以體型大且能長距離飛行而著名，今（2016）年2月研究人員記錄到一隻在1956年被套上腳環標識追蹤的黑背信天翁（Phoebastria immutabilis）智子（Wisdom）在中途島繁殖，估計飛行距離長達300萬英哩（相當於483萬公里），已可繞地球100圈，飛行距離創下世界紀錄。英國自然環境委員會南極調查局（British Antarctic Survey, Natural Environment Research Council）經由繫放記錄到灰頭信天翁（Thalassarche chrystostoma）12天可飛行6,000公里，平均1天的飛行距離達500公里，只需要飛46天就可以環繞地球一圈，平均時速為20.8公里，並能用平均地速（mean ground speeds）超過時速127公里的速度持續飛行8小時以上。

德國慕尼黑科技大學的航太工程師戈特弗里德‧薩克斯（Gottfried Sachs）教授的研究團隊則已發現漂泊信天翁（Diomedea exulans）是利用動態滑翔方式飛行，因為這種翼展（雙翅展開平伸）達12英呎（約3.7公尺）的大鳥體重太重，強勁的風勢是其起飛的必要條件，起飛之後利用一種重複升降起伏的飛行技巧，首先是迎風爬升，在最高的高度時轉向背風並下降，直到接近海面再反轉方向迎風重新爬升進入下一個循環，飛入風中時藉著轉變翅膀的角度來取得高度，牠們能夠以時速超過67英哩（相當於108公里）的速度轉向及突然俯衝下降100公尺以上，藉著重覆使用這個方法，科學家相信漂泊信天翁單次旅程就可飛行10,000英哩（相當於16,000公里），只需要時速超過30公里的風速就能動態滑翔，且幾乎不必耗費能量。未來科學界若能模仿信天翁利用氣流幾乎不耗能量的原理改善設計，不久的將來將能有效延長無人機的續航力。

（以上新聞編譯自2013年11月18日發行之Daily Mail Online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：2016/09/29

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：信天翁將有助於增加無人機的續航力

資料來源：

Zolfagharifard, E. 2013. Mystery of the wandering albatross travels 10,000 miles in a single journey without flapping its wings is solved. Daily Mail Online, November 18, 2013.

Traugott, J., A. Nesterova, and G. Sachs. 2013. The nearly effortless flight of the albatross. IEEE Spectrum, June 28, 2013.

影片聯結：https://www.youtube.com/watch?v=uMX2wCJga8g。

https://www.youtube.com/watch?v=_sysBQ5-tZA。

https://www.youtube.com/watch?v=gzQkByBuutM。

延伸學習：

果殼網。2016。那隻超長待機的信天翁又來了：65歲老鳥今年喜添一蛋。壹讀，2016/03/16。

張小玫。2016。無人機是商機，還是危機？。科技政策觀點，2016/08/15。

愛范兒。2016。到底是遙控飛機還是無人機？從演進歷史說分明。科技新報，2016/08/10。

Chia, J. 2016. This mama’s still got it! Wisdom the 65-year-old albatross outlives other birds to her 40th baby chick. Daily Mail Online, February 13, 2016.

Croxall, J. P., J. R. D. Silk, R. A. Phillips, V. Afanasyev, and R. Briggs. 2005. Global circumnavigations: tracking year-round ranges of nonbreeding albatrosses. Science, 307 (5707): 249-250.

Sachs, G., J. Traugott, A. P. Nesterova, G. Dell’Omo, F. Kümmeth, W. Heidrich, A. L. Vyssotski, and F. Bonadonna. 2012. Flying at no mechanical energy cost: disclosing the secret of wandering albatrosses. PLOS ONE, 7(9): e41449 (doi: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0041449).

Scharping, N. 2016. At age 65, Wisdom the albatross hatches a healthy chick. Discover Magazine / Blogs / D-brief, February 10, 2016.