[整合生物學] Inspirations from Nature (insects):Materials Science and Engineering Approaches 陳柏宇 副教授兼副系主任 國立清華大學材料科學工程學系

合影

演講者 (Invited Speaker) 陳柏宇 副教授兼副系主任 國立清華大學材料科學工程學系

主持人 (Host) 柯俊成 教授 國立臺灣大學昆蟲學系

演講日期 (Date):2019/10/08 (二) 11:10~12:00    

編輯:楊騰志 / 記錄:吳倩誼


摘要 (Abstract)

    本次演講分為三個部分:仿生學簡介、材料與應用以及實例分享。講者引用J. G. Duh 對於仿生學的定義拉開序幕,帶領我們看見人造材料的困境,以及如何發揮好奇心,從周圍唾手可得的生物身上找到解決問題的能力。

    生物材料的特徵為成分簡單但結構複雜,可兼具輕、強、硬、韌等優點。人造材料在 toughness stiffness 兩象限圖上呈現有名的 banana curve。而角質蛋白、鹿角等生物材料在圖中的分布則呈現 reverse banana curve,顯示生物材料強度與韌性兼具。生物材料還有質輕、多功能性、由自然界常見物質組成等優點,可略分為 fibrouslayeredcellularsuturegradienttubularhelicaloverlapping 等八種結構,生物材料常由各種結構相互組合而成。例如 SiO2,玻璃材質脆而易斷,但海綿體內的 SiO2 因為複雜的結構及增加了 5% 左右的蛋白質而增強了韌性。

    無論是有超疏油表面的跳蟲、超親水陷阱的豬籠草、兼具強硬及緩衝拳擊手套的螳螂蝦;或是珍珠光澤的鮑魚殼、壯觀堅硬的巨嘴鳥喙、多變精緻的矽藻構造,生物各自擁有能在環境中生存的秘密。講者特別為我們介紹了跳蟲、網紋幼蟲、石蛉幼蟲及爬岩鰍的實驗。跳蟲的體表有特殊的構造,可防止油滲入體表,經過電顯觀察與實驗測試,開發出疏油陣列。網蚊幼蟲腹面有數個小吸盤,幫助他們在水中表面安穩爬行。可調整吸盤開口大小的特性,更讓吸盤的吸放更加省力快速。同樣住在水中的石蛉幼蟲則是使用腹部末段的鉤狀構造,防止自己被流水輕易沖走,講者團隊利用變速轉盤及多種表面來測試其抓附力。最後是爬岩鰍,爬岩鰍腹面由特化的唇部、腹部、魚鰭等形成類吸盤構造,並且可快速排除吸盤內水分而能在有瀑布的垂直岩石表面攀爬,講者團隊也發現死去的爬岩鰍仍可藉由外力吸附在表面上。

    從潛水、養殖看鮑魚、螃蟹等等海中生物,到觀察跳蟲、網紋等細小生物,講者充分示範了對生物的好奇心和熱情,更提醒了我們時時保持觀察力!

 

心得 (Report)

    身為一個喜歡生物的材料學家,講者的研究對象豐富多元不設限,加入生物觀察的經驗後,更可以做出一個一個充滿物理化學但又貼近生物本身的研究。對於與昆蟲為伍的昆蟲系學生來說,探索微小生物的構造及行為幾乎已經是內建的能力。如何將觀察紀錄及經驗透過科學方法並利用工具,證實成可被傳播的文章、報告,進而促進討論及應用,是學習過程中要不斷練習強化的能力。

 

Q&A

Q1 : 如何選擇適合適合研究仿生的生物?

A1 : 剛開始並無特別目的,主要以方便取得,如市場買的到或是附近就有的生物,再者就是基於好奇對特別有趣的生物研究;最近開始比較以功能性為主,並不針對特定物種,比如要研究輕量化,則將範圍鎖定在可能比較輕的會飛的物種,比如鳥類蝙蝠昆蟲等,在進一步以可獲得性、容易取得和代表性進行篩選。而當中往往又以昆蟲為優先,因大型動物要入手可能會遇到法規的問題,而入手難度也較高,反觀昆蟲則較易取得,又因其多樣性,適合以一個分類單位,比如鞘翅目,做一整系列的比較。其他例子還有水中吸附能力,則有魚類、水棲昆蟲、貝類等等,可進一步討論其策略的異同。

 

Q2 : 實驗中強度的order是如何衡量的?

A2 : 可以標準實驗測量之,比如以碳酸鈣晶體製成標準試驗進行拉伸,即可得到其楊氏係數、最大硬力、延展性等等,在以鮑魚殼等製成相等大小的試驗物件進行相同試驗,不過因生物材料性質不同,有時無法因應所有標準試驗測量測量,因此得以較小的量測方法測試,比如奈米壓合或微米壓合測試,即可得出一些硬度等數據可以比較。如何量測一直是一個很大的挑戰,但是隨著硬體設備的進化,比如乳膠AFM,直接或間接慢慢的都可以進行測量。

 

Q3 : 仿生科技,如壁虎的剛毛或蓮花防水細毛是否以有應用實例?

A3 : 有,比如柏克萊大學就有研究出一款壁虎機器人,可以成功的仿壁虎在垂直壁面行動,只不過這類的奈米構造容易失效,比如斷裂或汙損,而機器人不像生物體可以自我清潔或自我修復,因此目前還是以一次使用為主;而蓮花表面的應用則更為廣泛,比如噴劑的型式,其防水效果極佳,不過穩定性卻較為不足,只要洗過就會失效,不過也許也正因為這樣才更有其商業價值。

 Q4 : 是否有構造是需要生物體同時做功才可達成效果?

 A4 : 有,很多時候構造的功能是系統性的,比如會跟行為有關,以爬岩鰍的例子來說,其吸盤雖然在死掉了之後還能有作用,但是在應用上卻需要配合其在休息或移動時胸鰭腹鰭和尾巴的作用來調整鰭吸盤內部水分造成的壓力差。因此若能夠與各種單位合作,即可不只了解材料方面的表面,而能透過對其生態、行為等等做不同面向更完整的探討。

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