2017年4月24日 星期一

『臺博新知』:撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
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

美國史丹佛大學(Stanford University)倫廷克(David Lentink)副教授領導的研究團隊仿生鳥翼和蝙幅翼,研發出一款遭遇障礙物時可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機,能在密林枝葉或建築物間輕鬆飛越狹窄空間,即使意外撞擊障礙也能迅速恢復,並繼續執行如環境(空污)監測、海上巡邏、國土保育、急難搜救、氣象觀測和通訊中繼等既定任務,未來能夠據此動態模型開發出不同大小和形狀機型,擴大應用範圍。研究成果已於2015年3月在《生物靈感與仿生》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊發表。

仿生鳥和蝙蝠的撲翼型無人機遇障礙時可摺疊回彈機翼,遭意外撞擊也能恢復,將用於環境監測、急難搜救等(繪製者:王美乃)。
鳥類和蝙蝠的翅膀外觀雖然不同,但在解剖學上與人類的手臂屬於同源構造,搧動雙翼就能靈活準確地起降和飛抵目的地,充分展現輕鬆駕馭空氣動力學的特性。鳥類泛指鳥綱(Aves)動物,大部分物種都具有飛行能力。為了適應飛行,演化出總重量僅佔體重5%的輕盈強健骨骼、強壯的肌肉、高效新陳代謝的循環系統及呼吸系統等,與飛行有關的骨骼架構由上而下分為:肩胛骨、鳥喙骨、和肱骨,構成類似人的肩膀和上臂;肱骨則與尺骨和橈骨相連,類似人的手肘;往下連接腕骨、掌骨、和指骨,類似人的手腕和手掌。骨骼相接處具有關節,讓鳥翼能伸縮與摺疊,尤其飛越或經過狹小空間時適度收縮翅膀,可防止意外碰撞到異物或其他生物,或分散減輕碰撞力量而避免受傷。飛行時以喙上肌讓翅膀往上抬升,胸大肌使翅膀向下拍動,並用覆蓋體表的羽毛調整飛行姿態,尤其是尾羽可控制飛行方向。至於蝙蝠為翼手目(Chiroptera)動物,在四肢和尾巴間覆蓋薄而堅韌的皮質翼膜和股間膜,腳和尾巴在飛行時可控制身體平衡。

都市常見的野鴿(Columba livia)具可摺疊翅膀,早已被人類普遍飼養繁殖(圖片來源:賴景陽)。


研究團隊以鳥翼為靈感設計仿生翅膀,使用碳纖維(carbon fiber)仿生鳥翼骨骼製作骨架,因鳥類皮膚和羽毛結構較複雜,故搭配仿生蝙蝠皮質翼膜的麥拉膜(Mylar®,即聚酯薄膜)取代,製造左、右機翼,翼展長40公分,翼弦長(chord length,指機翼前緣和後緣連成直線的長度)8公分,並以3D列印如鳥類腕關節(wrist joint)的針狀關節,連接臂翼和手翼骨架。透過關節能帶動手翼讓機翼撲動,遇到障礙時,無需額外動力驅動,手翼可以臂翼為基準,在0.07秒內像鳥翼般自由摺疊或回彈展開,只增加撲翼型無人機3%總重量。

機翼分成仿鳥類肩胛骨到橈骨的「臂翼」和從腕骨到指骨的「手翼」,兩者間用三秒膠以3D印表機列印厚度29微米(μm=10-6m)的針狀關節連結,骨架前緣的臂翼採用半徑1公釐、手翼為半徑0.8公釐的D形碳纖維構成,表面覆蓋5微米厚的麥拉膜,並用Weldwood樹脂以左、右翼的針狀關節為端點,各黏著直徑0.28公釐的4根圓形碳纖維,模仿蝙蝠指骨加強機翼,能承受氣流壓力不致破損。這種構造和機制使臂翼透過關節與機體相連並驅動翅膀,手翼在撲翼過程中自動摺疊和展開。

實際以鋼條撞擊測試結果發現,當推撞發生時機翼能自動摺疊變形,若用鋼條模擬無人機在飛行中碰到樹枝或牆壁的大力撞擊時,機翼的尖端透過向內側摺疊動作吸收衝擊力量,且因振翅運動引起的離心力驅動,機翼會快速回彈,並在0.07秒(機翼搧動頻率為14赫茲,即每秒搧動14次,故搧動一次約需0.07秒)內完全展開復原,證明這款機翼遇到障礙時,無需感應器、馬達等助力或電力即可被動調整恢復。

為理解翅膀如何摺疊和展開的動力學,研究團隊根據以往相關實驗數據,並分析46種鳥類的振翅幅度(flapping amplitude)和248種鳥類的翅膀摺疊比率(fold ratio),發現兩者間在16種鳥有相關性。他們以電腦創建振翅幅度和翅膀摺疊比率的動態模型進行模擬測試,得到能從撞擊中恢復的機翼設計,試驗改變振翅頻率、機翼的幾何形狀、和釋放時間等不同組合,發現只有較高的振動頻率和幅度導致在絕對時間內更快展開機翼,但機翼的幾何形狀和釋放時間對被動摺疊變形機制無太大影響,故得出無論機翼或機體尺寸,這款機翼設計在遇到障礙時都能迅速摺疊變形,並迅速回彈展開的結論。再用高速攝影機紀錄鴿子和太平洋鸚鵡(Forpus coelestis)飛行試驗,分析結果確實均符合此動態模型。將來生產的可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機,不但節能且可在空中躲避碰撞、穿越障礙,運用於實境空拍、探測建築、偵測監控重要軍情、獵殺攻擊特定目標、貨物快遞等方面。

(以上新聞編譯自2015年3月25日發行之Bioinspiration & Biomimetics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:2017/4/20

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

資料來源:
Stowers, A. K. and D. Lentink. 2015. Folding in and out: passive morphing in flapping wings. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 025001-1-16.

延伸學習:
鳥類生理解剖學。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B8%9F%E7%
B1%BB%E7%94%9F%E7%90%86%E8%A7%A3%E5%89%96%E5%AD%A6(瀏覽日期:2017/03/13)。

Nordqvist, C. 2015. Drone with bird-bat-like wings can recover from mid-air collision. Market Business News, March 25, 2015.

Whitwam, R. 2015. Morphing wing design lets drones bounce back from impacts. ExtremeTech, March 26, 2015.




2017年4月17日 星期一

『臺博新知』:仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

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

玻璃具有透明、堅固、抗化學腐蝕、耐用等優點,但脆裂易碎,加拿大麥基爾大學(McGill University)巴德拉特(Francois Barthelat)副教授領導的研究團隊,模仿紅鮑(Haliotis rufescens)貝殼珍珠質微結構,研發新型耐熱結構玻璃,由93%硼矽酸鹽玻璃(Borosilicate Glass)和7%聚氨酯(polyurethane,簡稱PU)組成,遭受強力衝擊時只會略微彎曲、卻不碎裂,較100%硼矽酸鹽玻璃的韌性增加達700倍、抵抗衝擊能量大2-4倍,可拉伸延長約5%(硼矽酸鹽玻璃僅0.1%)。未來除可取代既有耐熱玻璃外,還能應用於交通工具或建築物窗戶、防彈玻璃、安全鏡片、電子或電器設備的透明結構和觸控螢幕、天文望遠鏡、太空梭隔熱瓦等。相關論文於2016年2月在《Extreme Mechanics Letters》期刊發表。

仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃遭受強力衝擊時不會碎裂,可用於窗戶、安全鏡片、觸控螢幕等(繪製者:王美乃)。
純玻璃又稱石英玻璃(fused silica),成分為100%二氧化矽(SiO2),以高溫熔融矽砂後冷卻成形,膨脹係數5.8×10-7,莫氏硬度7;再添加13%氧化硼(B2O3)就能製成俗稱耐熱玻璃的硼矽酸鹽玻璃,又名硬玻璃,具有低膨脹率、耐高溫、高強度、高硬度、高透光率和高化學穩定性,膨脹係數32×10-7,可耐200度溫差的急熱和急冷,常用於製造試管、燒杯等理化實驗器材設備,烹飪的鍋具、餐具、玻璃保鮮盒、奶瓶、耐熱茶壺和茶杯等廚房用品、燈罩、與電器設備的耐熱玻璃零件如微波爐專用玻璃轉盤、微波爐燈罩、滾筒洗衣機觀察窗等,派勒克斯玻璃(Pyrex glass)即為一例,但遭到外力撞擊時仍會產生裂紋或破損。

研究團隊因此研究紅鮑殼珍珠質的增韌機制,發現珍珠質的多層微結構會使外力造成的裂紋偏轉、並消耗能量,同時有機質產生非線性變形和微滑移,而礦物橋和文石的晶體變形偏移具有互鎖作用,符合拓撲互鎖材料(topologically interlocked materials)中,特定形狀的結構塊之間以機械鍵互鎖,構成在橫向靜態或衝擊負載時具有強度和韌性的結構材料,因而在較高強度時能大幅提高韌性。

盤鮑螺(Haliotis discus)與紅鮑同屬,分布於臺灣和中國大陸,也是被人工養殖的食用貝(圖片來源:林士傑)。
紅鮑殼的厚度約0.6-0.7公釐,其中50%位於最內層、結構最強韌的珍珠質,成分除極少量水,還有5%彈性柔弱的有機質(幾丁質與絲蛋白)提供非線性變形、裂紋偏轉,並觸發極強的增韌機制,及95%具有剛度和硬度的文石晶片(又名霰石,斜方晶系的碳酸鈣CaCO3)。文石的碳酸鈣晶體長、寬為200x100奈米(nm=10-9m),晶體界面上的有機質厚約10奈米;文石晶體聚集形成的六邊形文石晶片,直徑5-15微米(μm=10-6m),厚度0.5-1.0微米。有機質黏結文石晶片,類似水泥及磚塊交叉疊層成磚牆結構,文石晶片層表面有許多微突起的礦物橋連接層與層間,與有機質共同形成奈米級粗糙度,提供滑動的摩擦阻力,這種結構較純碳酸鈣晶體的斷裂韌性高3,000倍,強度高達130百萬帕(Mpa)。

研究團隊採由上而下的製造方式,使用長、寬、厚50.8×50.8x3.175公釐的硼矽酸鹽光學級263M玻璃板,以雷射在玻璃內雕刻出微凹陷和裂紋、並產生雕刻接口,再用6.375×3.175公釐的基塊,與雕刻接口從0到20度的不同互鎖角度進行組合,再分別測試韌性。

結果發現基塊的互鎖角度、雕刻接口的粗糙度、接口材料、和載荷速率等都會影響耐熱結構玻璃的強度與韌性,基塊的幾何形狀、尺寸、排列、及外部框架的約束程度,都會決定耐熱結構玻璃的變形和斷裂程度,若雕刻接口角度在10度以內增加時,韌性較對照組的相同材質耐熱玻璃高,彼此間卻幾乎沒有差異。但在以PU填充初級結構玻璃的試驗中,採用離子聚合物(ionomer)沙林樹脂(Surlyn 9320,美國杜邦公司生產)仿生有機質黏合基塊,結果塑性變形大幅增強能量耗散性能,產生高變形和高強度,因此增加耐熱結構玻璃的韌性;若受到橫向力或衝擊時,耐熱結構玻璃較對照組高5-6倍的偏轉,並因雕刻接口引起的互鎖作用,亦可承受較大力量。新型耐熱結構玻璃的彎曲剛度、強度、和透明度雖低於對照組,但兩者表面硬度相同,且衝擊能量吸收力和衝擊抗力分別是對照組的50倍和2-4倍,且不會像對照組般碎裂。

由於3D雷射雕刻技術僅需一束雷射脈衝就可精確聚焦至預定位置玻璃,研究團隊未來將持續測試並以電腦建模,提升耐熱結構玻璃的整體機械性能,並升級製造技術,以運用於不同形狀、或更大、更厚的材料,研發和量產更優質的耐熱結構玻璃和相關產品。


(以上新聞編譯自2016年2月20日發行之Extreme Mechanics Letters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:2017/4/13

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

資料來源:
Mirkhalaf, M., J. Tanguay, and F. Barthelat. 2016. Carving 3D architectures within glass: exploring new strategies to transform the mechanics and performance of materials. Extreme Mechanics Letters, 7: 104-113.

延伸學習:
玻璃。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%83(瀏覽日期:2017/03/10)。

玻璃的種類與組成。2017。新竹市玻璃工藝博物館典藏作品知識網,http://glassmuseum.moc.gov.tw/web-tw/unit03/modepage/3-4-1.html (瀏覽日期:2017/02/24)。

孫娜、吳俊濤、江雷。2011。貝殼珍珠層及其仿生材料的研究進展。高等學校化學學報,32(10): 2231-2239。

Barthelat, F. 2010. Nacre from mollusk shells: a model for high-performance structural materials. Bioinspiration & Biomimetics, 5(3): 035001-1-8.

Mohammad, S., M. Valashani, and F. Barthelat. 2015. A laser-engraved glass duplicating the structure, mechanics and performance of natural nacre. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 026005-1-11.

2017年4月10日 星期一

『臺博新知』:仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

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

由以色列與美國科學家共同研發的仿生巨骨舌魚(Arapaima gigas)硬鱗魚皮,由硬的剛性不透明白色材料丙烯酸光聚合物(acrylic-based photo-polymer)VeroWhite(簡稱VW)、和類橡膠材料的軟彈性體TangoPlus(簡稱TP)組合成堅韌且硬度高的新型材料。未來可根據個人需求或身體不同部位,例如使手肘和膝蓋位置更有彈性,或加強上半身的防穿透性能,客製化不同強度和彈性等級的局部保護和彈性性能服裝。可研發用於軍方的超輕柔仿生防彈和防刺之野戰軍服,無須重型防彈插板就能有效阻擋子彈、彈片、尖刀的攻擊,且不影響行動;或用於製作新型太空衣,保護太空人避免被隕石、空間碎片、和輻射等傷害。

仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮,可製成野戰軍服或太空衣,有效阻擋子彈、尖刀、和輻射等傷害(繪製者:王美乃)。
與鋸脂鯉亞科(Serrasalminae)的食人魚一樣廣泛分布於南美洲的亞馬遜河,被稱為活化石的巨骨舌魚,最早出現於一億年前,成魚體長可達3公尺,重達200公斤,是世界上大型淡水魚之一,因體型巨大,多採伏擊方式,張開巨口瞬間吸入獵物,或是甩動魚尾擊倒或擊碎獵物骨骼,又名巨滑舌魚、海象、象魚、大頭巨骨舌魚,俗稱巨龍、腰帶魚,屬於條鰭魚綱(Actinopterygii)巨骨舌魚目(Osteoglossiformes)巨骨舌魚科(Osteoglossidae)。魚體由類似天然盔甲般的硬鱗包覆保護柔軟的魚皮和軟組織,仍能靈活地自由彎折和游動,最外層的堅硬魚鱗彼此重疊排列互鎖成波紋結構,可彎曲和扭曲,並分散每片魚鱗被食人魚咬合時的壓力,以減輕損傷,導致即使咬斷微小利齒仍吃不到魚肉的食人魚只好撤退,因此幾乎不會成為獵物。

巨骨舌魚(Arapaima gigas)分布於南美洲的亞馬遜河,類似天然盔甲的堅硬魚鱗能有效防護食人魚的攻擊(圖片來源:歐陽盛芝)。
這項發明由以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)魯迪克(Stephan Rudykh)助理教授,在美國麻省理工學院從事博士後研究時,與該校奧蒂茲(Christine Ortiz)教授、哥倫比亞大學博伊斯(Mary C. Boyce)教授組成研究團隊,於2015年2月在《軟物質》(Soft Matter)期刊發表。研究團隊採用多材料3D列印機Objet Connex500列印上部VW魚鱗層與底部TP魚皮層兩種感光聚合物材料,高度各為5公釐,兩者構成總高度x長度x面外深度為10x150x20公釐的試樣。VW材料列印成白色仿生魚鱗,剛性板厚度0.5公釐,楊氏模量(Young’s modulus,彈性材料承受正向應力時會產生正向應變,在形變量未超過對應材料的彈性限度時,正向應力與正向應變的比值)為1.2吉帕(Gpa,Gpa=109Pa=109N/m2,壓強單位,等於每平方公尺109牛頓);TP材料列印成透明軟基質的仿生魚皮,楊氏模量為0.78 兆帕(Mpa,Mpa=106Pa=106N/m2)。另外為測試複合材料試樣的機械性能,列印組裝成不同變因試樣作為對照組,包括相對於TP層傾斜角為10、20、30、45度,及容積百分率為0.1、0.2、0.3、0.4的VW魚鱗層剛性材料。還有容積百分率為1.0的全硬雙層VW魚鱗、和容積百分率為0.0的同質全軟雙層TP魚皮樣本。

他們用壓痕測試結果計算穿透剛度,結果顯示壓痕力隨VW容積百分率增加而增加,在固定壓痕深度時依VW魚鱗層傾斜角度增加而減少;也因複合材料的不同響應由TP層變形機制控制,VW魚鱗層的低傾斜角度和高容積百分率可提供最大穿透阻力,穿透剛度隨壓痕深度增加而增加,同時降低彈性。以三點彎曲試驗結果估算彈性時,顯示複合材料的彈性隨VW容積百分率的增加、和VW魚鱗層傾斜角的減少而降低;在較小的傾斜角度時,容積百分率增加會導致相對彎曲剛度顯著增加。

由於試樣的彎曲行為幾乎為線性,剛度不會因出現變形顯著變化,但隨VW容積百分率增加、會加強彎曲行為,研究團隊認為VW容積百分率約0.3,對大部分VW魚鱗層的傾斜角度而言,能表現最佳抗穿透性和彈性;並且已製出仿生魚皮彈性僅降低5倍,而整體強度(抗穿透力)提高40倍的仿生硬鱗魚皮。他們還藉由調整VW魚鱗的容積百分率和傾斜角度等參數,改變仿生魚鱗和魚皮的結構、變形及特性條件,例如更動VW魚鱗旋轉、彎曲、和TP魚皮間剪切的機制等,就可組裝成高彈性、強化保護、和靈活性的複合材料。未來將繼續強化魚鱗本身的微奈米結構,或採用較堅硬的材料如超強纖維凱芙拉(kevlar®)製造魚鱗,以達到更強的保護效果。

(以上新聞編譯自2015年2月20日發行之Soft Matter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:2017/4/6

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

資料來源:
Rudykh, S., C. Ortiz, and M. C. Boyce. 2015. Flexibility and protection by design: imbricated hybrid microstructures of bio-inspired armor. Soft Matter, 11(13): 2547-2554.

延伸學習:
巨骨舌魚。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A8%E9%AA%A8%
E8%88%8C%E9%B1%BC(瀏覽日期:2017/02/24)。

楊氏模量。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9D%A8%E6%B0%8F%
E6%A8%A1%E9%87%8F(瀏覽日期:2017/02/28)。

American Technion Society. 2015. Tough, fish scale-like material with soft flexibility could protect soldiers, astronauts. ScienceDaily, March 12, 2015.

Gray, R. 2015. The body armour inspired by FISH: scaly material could lead to uniforms that can withstand bullets and knives. Daily Mail Online / Science, April 7, 2015.

Howard, B. C. 2013. (Newly re-described) Arapaima: freshwater species of the week. National Geographic / Voices, April 20, 2013.


2017年4月3日 星期一

『臺博新知』:電子皮膚仿生安班加豹變色龍

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

美國史丹佛大學鮑哲南(Zhenan Bao)教授組成跨系研究團隊已研發一款互動式電子皮膚(e-skin,簡稱電子皮膚PSEC),能透過各種觸覺加壓及不同力度的持續時間控制拉伸和變色,由可拉伸的電阻壓力感應材料(pressure sensor,簡稱PS)和有機電致變色材料(electrochromic devices,簡稱ECD)整合製成,電子皮膚的顏色變化也可用來區分所承受之壓力。這款發明係仿生安班加豹變色龍(Ambanja panther chameleon,Furcifer pardalis)的皮膚變色機制,2015年8月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊正式發表,最終目標是開發模仿人類皮膚功能和特性的仿生人造皮膚,應用於人工智慧和醫療等領域。

仿生安班加豹變色龍變色機制的電子皮膚,具有拉伸、變色、和感測壓力等特性(繪製者:王美乃)。

變色龍以變色聞名,其皮膚具備整合彈性、變色、和觸覺感應的複雜能力,透過潛意識控制變色,主因為情緒,以及光照、溫度、濕度等因素變換體色,表達情緒、身體狀況、調節溫度、偽裝、迴避捕食者、吸引配偶、和交流訊息。其中安班加豹變色龍體色最為華麗多變,是豹變色龍的許多品種之一,屬於爬蟲綱(Reptilia)有鱗目(Squamata)避役科(Chamaeleonidae),原產於馬達加斯加北部的安班加縣,各產地品種雖都是馬達加斯加的特有種,但均具特定原始體色可供區辨。變色機制是皮膚內含有色素、能反射光線、並發出彩虹色光芒的S及D上下重疊的兩層彩虹色素細胞(S-iridophores and D-iridophores),細胞內有許多不同形狀、尺寸、和排列的鳥嘌呤(guanine)奈米晶體(nanocrystals),這種奈米晶體屬於能控制光的週期結構,亦稱為「光子晶體」(photonic crystals)。

原產於東非的傑克森變色龍(Trioceros jacksonii)與豹變色龍同科,雄龍頭上有三隻角,在世界各地已成為被飼養繁殖的寵物(圖片來源:林士傑)。

當豹變色龍改變S彩虹色素細胞層細胞內光子晶體的排列結構,即可變化光的折射而改變皮膚顏色。皮膚放鬆時光子晶體排列緊密,較易反射短波長光線如藍色;皮膚緊繃時光子晶體排列鬆散、且間距增大,較易反射長波長光線如黃、橙和紅色等。在此之下的D彩虹色素細胞層細胞內光子晶體外形相對較大,功能為智能隔熱板,與變色無關,能反射近45%的近紅外線輻射能量,可幫助保持涼爽。透過調整S彩虹色素細胞層細胞的放鬆及舒張與D彩虹色素細胞層細胞的相輔相成,透過調整S彩虹色素細胞層細胞的放鬆及舒張與D彩虹色素細胞層細胞的相輔相成,有更多彈性調控熱能,得以生存適應於不同氣候環境。

研究團隊仿生安班加豹變色龍的變色機制,研發電介質壓力感應及有機電致變色兩種材料,前者由彈性微結構聚合材料製成,能隨壓力改變電壓,是最關鍵的功能;後者由彈性電致變色聚合材料製成,能隨電壓變紅或藍。他們先以矽模製作具有高34微米(μm = 10-6m)、頂部10×10平方微米、基底50×50平方微米、和塔間間距41微米的金字塔微結構的聚二甲基矽氧烷(PDMS),表面噴塗單層碳奈米管(single-wall carbon nanotubes,簡稱SWNT),再用1、10、30千帕(Kpa,Kpa=103Pa=103N/m2,壓強單位,等於每平方公尺103牛頓)三種不同壓力調整SWNT在PDMS金字塔微結構上的高度,最後在上方置放含SWNT塗層平坦表面PDMS的相對電極(counter electrode),完成高敏感、透明、可拉伸、和可調整電阻範圍及電阻切換閾值的柔性PS電介質壓力感應材料。由於SWNT具導電功能、柔軟性佳、可拉伸兩倍以上、回復時形成小彈簧狀並保持高導電率,塗布於透明的PDMS表面亦呈現透明度,使製成的電子皮膚可模仿人類不同膚色,兼具觸摸和正常握力性能,達到可互動效果。

有機電致變色材料則選用能與壓力感應材料整合,兼具易製造、多色、可協調顏色、和低功耗等特性的材質,他們以具彈性和生物相容性的PDMS為基板,噴塗SWNT薄層作為透明電極,再旋塗電致變色層的聚3-己基噻吩(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl),簡稱P3HT),形成聚合物薄膜,然後刷塗凝膠電解質,最後在上方置放含SWNT塗層平坦表面PDMS的相對電極製成。變色聚合物P3HT中性時顯示深紅色,最大吸收波長為550奈米(nm=10-9m);氧化時呈現淺藍色,最大吸收波長為800奈米。若以1.2微米超薄聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,簡稱PEN)或聚酯(聚對苯二甲酸乙二醇酯,polyethylene terephthalate,簡稱PET)膜取代原始的PDMS基板層,可製成每平方公分僅重9.3毫克(相同面積混紡棉重16.7毫克)、適用可穿戴電子產品的超輕薄有機電致變色材料。

測試時研究團隊把壓力感應材料貼在絨毛泰迪小熊的熊掌,並連接小熊腹部的電致變色材料。當輕握(壓力約50千帕)熊掌時,暗紅色的電致變色材料變成藍灰色,鬆手即變回暗紅色;大力(約200千帕)壓握時則變成淡藍色。證明手握的壓力使壓力感應材料電阻下降,造成電致變色材料的電壓升高,P3HT的化學結構改變而影響其吸收光譜,導致顏色變換,壓力消除後會迅速逆轉回復原色。雖然目前僅能在紅、藍色間轉變,若改用其他種電致變色材料就能呈現更多顏色。

結合兩種材料製成的仿生電子皮膚首創可拉伸、變色、和感測壓力三項特性,未來可與衣服、智慧型手機、智能手錶等可穿戴或攜帶設備整合各種顏色,成為互動式裝飾、或用來表達情緒;亦可利用感測壓力特性分辨承受的表面壓力,監測士兵操練時的健康;還能研發模仿人類皮膚的外觀及功能,廣泛運用於人造義肢、有觸覺的智能機器人等方面。

(以上新聞編譯自2015年8月24日發行之Nature Communications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:2017/3/30

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:電子皮膚仿生安班加豹變色龍

資料來源:
Chou, H-H., A. Nguyen, A. Chortos, J. W. F. To, C. Lu, J. Mei, T. Kurosawa, W.-G. Bae, J. B.-H. Tok, and Z. Bao. 2015. A chameleon-inspired stretchable electronic skin with interactive colour changing controlled by tactile sensing. Nature Communications, 6: 8011-1-10 (+ 3pp. Supplementary information).

延伸學習:
豹紋變色龍。2017。台灣Wiki,http://www.twwiki.com/wiki/%E8%B1%B9%E7%B4%8B%
E8%AE%8A%E8%89%B2%E9%BE%8D(瀏覽日期:2017/02/14)。

豹變色龍Panther chameleon。2017。物種概述。動物世界,http://www.iltaw.com/
Animal/1023(瀏覽日期:2017/02/15)。

臧亞萍、狄重安、朱道本。2016。“觸動"腦神經的電子皮膚。科學通報,61(11): 1146-1147。

Teyssier, J, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 6: 6368-1-7 (+6pp. Supplementary Information).

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