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流線型車頭、沙漠中汲水,還有哪些從大自然來的仿生好點子?——《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2017/05/23 ・2379字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 509 ・六年級
相關標籤: 仿生學 (9)

這些師法動植物的創新技術令人讚嘆不已

地球上的生物歷經數十億年的演化,才得以完美地適應棲息環境,在充滿競爭的世界中利用巧妙的方式克服障礙、存活下去。舉例來說,儘管某些寄生蜂不是非常有力,其長管狀的產卵器官卻能鑽進數公分厚的實木中。

這些寄生蜂藉由不斷來回搓動產卵管的兩片生殖瓣,將產卵器官鑽進木頭中,且鑽木的同時不會對周遭區域產生太大的干擾。這種鑽孔機制與我們目前運用在營建工程及神經外科手術上的鑽孔設備截然不同,但科學家已從寄生蜂的產卵技巧中汲取靈感,好設計出創新的工具,例如可控式醫用探針。

這類機智妙招在大自然中俯拾即是,許多領域的工程師都已開始認知到師法動植物所帶來的好處。從營建到戰鬥,仿生學(biomimicry)都正幫助我們找到解決舊問題的新方法,並替我們打開劃時代技術的大門,好讓人類的演化能再向前邁進一大步。

跟白蟻學建築

建築師米克.皮爾斯運用白蟻窩的原理,用一系列通風管和煙囪,能將熱氣帶往上方及室外,維持建築的涼爽和通風。圖/By Scott Bauer, Public Domain, wikimedia commons

當你想到世上最偉大的建築師時,浮現在腦海中的大概不會是白蟻。但這種生物能在一座土丘中打造出有儲藏室、通風口和花園等設施的龐大城市。

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白蟻丘錯綜複雜的坑道系統善用了空氣對流(暖空氣上升、密度較高的冷空氣下沉),使溫度保持恆定,讓白蟻一年四季都能耕種主食──真菌。

建築師米克.皮爾斯(Mick Pearce)從這不可思議的傑作中汲取靈感,設計出無須使用空調設備,就能終年維持舒適溫度的永續建築。此建築物運用白蟻窩的原理,具備一系列通風管和煙囪,能將熱氣帶往上方及室外,維持建築的涼爽和通風。

啟發靈感的動物

牠們為哪些科技和工程傑作帶來靈感?

改良日本高速鐵路

新幹線 500 系電聯車的行進時速雖可達 300 公里,但卻會產生音爆。工程師從流線型的翠鳥鳥喙汲取了改造車頭的靈感,使新款列車變得更安靜、快速且節能。

工程師從流線型的翠鳥鳥喙汲取了改造車頭的靈感,使新款列車變得更安靜、快速且節能。圖/By Tennen-Gas, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

降低水中行進的阻力

鯊魚是強大的掠食動物,且有些鯊魚的時速可逾 50 公里!科學家認為鯊魚皮上覆蓋的骨鱗能降低游動時的阻力,便用此概念打造出流體動力表現更佳的船隻。

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鯊魚皮上覆蓋的骨鱗能降低游動時的阻力,便用此概念打造出流體動力表現更佳的船隻。圖/By Allan Lee @ flickr, CC BY 2.0

製作保護色衣物

頭足綱動物能改變皮膚外觀的顏色,以躲避天敵或追蹤獵物;牠們利用肌肉收縮來呈現不同色素,好融入背景。工程師已仿效此原理, 未來可望用於「智慧衣著」。

頭足綱動物能改變皮膚外觀的顏色,以躲避天敵或追蹤獵物;牠們利用肌肉收縮來呈現不同色素,好融入背景。圖/By NOAA/MBARI, Public Domain, wikimedia commons

人工光合作用

用人造葉子將有害氣體轉為環保燃料

數億年來,植物一直維繫著動物的生命,藉由吸收二氧化碳、水和來自太陽的能量,來製造出氧氣和以碳水化合物形式存在的能量。目前科學家已研發出具有同樣功能的人造葉;事實上,這種人造葉捕捉太陽能的效率約為天然葉片的 10 倍。人造葉利用觸媒將水分離成氧和氫,再以特殊細菌把氫和二氧化碳轉化成液態燃料。

這項革命性的技術能夠製造出液態燃料,卻又不會產生碳足跡,因此將來可能會成為人類減少二氧化碳排放量的重要工具之一。

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本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)。
本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)。

提升效率

動物如何造就科學發現?

魔鬼氈

學童不須大費周章綁鞋帶是件很棒的事,這都得歸功於仿生技術。一位工程師注意到:刺果上的小鉤會緊緊黏附在狗毛上,因此促成了魔鬼氈的發明。

一位工程師注意到:刺果上的小鉤會緊緊黏附在狗毛上,因此促成了魔鬼氈的發明。圖/By Kamranki, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

改良風力發電機

儘管座頭鯨的體型碩大,牠們卻靈巧得驚人。因為座頭鯨的鰭肢邊緣有著稱為突節(tubercle)的大型隆起,這項特徵讓座頭鯨在進行精巧的動作時能增加升力、減少阻力。此原理能應用於風扇、飛機和風力發電機的設計。

座頭鯨的鰭肢邊緣有著稱為突節的大型隆起,讓座頭鯨在進行精巧的動作時能增加升力、減少阻力。此原理能應用於風扇、飛機和風力發電機的設計。圖/By 林 慕尧, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons

沙漠集水

納米比沙漠是世上數一數二乾燥的棲地,但擬步行蟲(darkling beetle)卻能在此地求生;牠們能將尾部舉高,收集水汽。科學家發現這類甲蟲的前翅上有微小溝紋,有助於將水引向口部。這種溝槽現也開始被應用於集水設備的設計。

擬步行蟲能將尾部舉高,收集水汽。科學家發現這類甲蟲的前翅上有微小溝紋,有助於將水引向口部。這種溝槽現也開始被應用於集水設備的設計。圖/By Muhammad Mahdi Karim, GFDL 1.2, wikimedia commons

 

 

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)

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知識大圖解_96
76 篇文章 ・ 12 位粉絲
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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蝴蝶翅膀的夢幻色澤,藏著奈米科技
李鍾旻_96
・2021/07/27 ・2988字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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在昆蟲中,色彩鮮豔又顯眼的物種往往使人著迷,尤其蝴蝶向來是相當受人喜愛的一群昆蟲。一般人見到蝴蝶時,目光肯定會集中在牠們那五彩繽紛的翅膀。

蝴蝶的翅膀表面布滿著無數的鱗片,每一個鱗片的長度大約介於 50 ~ 200 微米之間(1 微米 = 0.001 公釐)。不同種類的蝴蝶,鱗片的形態也會有所差異,但共通點都是非常容易脫落。

包含蝴蝶的鱗片在內,昆蟲身上呈現出來的許多色彩,是由天然色素所構成,這稱作「色素色」(化學色)。但也有部分顏色屬於「構造色」(或稱物理色、結構色),與體表結構的物理性質有關。

結構賦予的幻紫湛藍

構造色通常由週期性排列的微觀結構,如小突起、溝紋等所造就,這些結構使光線產生反射、干涉、繞射等光學效應,而讓特定波長的光被保留了下來。

構造色並常伴隨著「炫彩」特性,也就是色彩光澤會隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化,讓一隻昆蟲顯得璀璨閃耀。有些蝴蝶在展翅時,會呈現出類似金屬、珍珠般的光亮質感,這類特徵往往便是源自構造色。(註:炫彩(iridescent),也常被譯作「虹彩」、「虹光」)

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中南美洲叢林中的「閃蝶」Morpho,又稱摩爾福蝶)是構造色相當有名的例子。閃蝶的藍色翅膀鮮豔奪目,質感宛如珠寶,因此身價不凡,是眾多標本收藏家愛不釋手的珍品。

英國自然史博物館收藏的黑框藍閃蝶(Morpho helenor peleides)標本。圖/作者提供

閃蝶翅膀呈現金屬藍色,然而翅表面的鱗片並沒有藍色色素,這樣的炫目的色澤歸功於鱗片上奈米尺度的多層次塔狀結構。當陽光映照在鱗片時,部分光線可能會直接被反射,有些光線則穿過部分結構,接著被底下層次的結構反射,而許多被反射的光線,彼此還可能發生交互作用。最終,鱗片的這些微結構反射了大部分藍色光芒,使得翅表面呈現明亮耀眼的金屬質感。

File:Morpho sulkowskyi wings.jpg
閃蝶鱗片上的細微塔狀結構,其表面又有層層的溝紋與脊起,這是讓光線產生變化的主要因素。圖/Wikipedia

鱗片已經非常的小,當然鱗片上的結構是我們人類肉眼所看不到的,所以科學家在探究這些構造時,必須透過電子顯微鏡才得以一窺究竟。

拿現實生活中的物品來比喻,可以說閃蝶體表閃耀的色澤,性質有些類似 CD 光碟片的表面。光碟片在光線下會顯現七彩的光澤,而這些光澤是光碟表面細小微妙的溝槽造成的繞射效果。

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不同角度下的大藍閃蝶(Morpho didius)標本,可見其金屬光澤會隨光照的來源有所變化。圖/作者提供

在台灣的我們,除了博物館裡才有機會目睹的閃蝶,有沒有什麼活生生的例子可以讓我們一窺構造色呢?常見的「紫斑蝶」Euploea),就是很好的觀察對象。牠們不只是數量多,同時又是蝴蝶中動作較為緩慢的種類,因此要近距離接觸牠們並不難。

紫斑蝶前翅背面雖然呈黯淡的褐色,但當牠們展翅時,這些鱗片在陽光下會散發出藍色至藍紫色的絢麗色彩,並且顏色深淺隨著角度的變化非常明顯。這同樣是由於光線照射在鱗片表面的物理結構,反射了特定波長光線的緣故。

圓翅紫斑蝶(Euploea eunice hobsoni)一身深褐色的鱗片平時看似不起眼,但翅背面在陽光下會轉變為鮮豔的藍紫色。圖/作者提供

其實不只是成蟲,構造色也可見於紫斑蝶的蛹。紫斑蝶的蛹呈亮麗金黃色或銀色,炫彩極為明顯,這是由於表皮底下層層排列的薄膜狀結構,對光線產生了影響。

當然,構造色的形式還存在許多昆蟲身上,常見的幻蛺蝶Hypolimnas bolina kezia)、蘭嶼的珠光裳鳳蝶Troides magellanus)都是構造色相當鮮明的例子。一些金屬質感的吉丁蟲、金龜子、灰蝶,其華麗的外觀往往也與構造色脫不了關係。

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圓翅紫斑蝶的翅在某些角度下光澤不明顯。圖/作者提供

這一身醒目的光澤,對昆蟲而言可能帶有警告的意味,因為許多鮮豔明亮的昆蟲有毒,或嚐起來具有特殊臭味。日光下閃爍的炫彩也可能具有隱蔽的效果,或者與同種個體間的辨識溝通有關。

圓翅紫斑蝶的蛹,外觀質感如同金屬。圖/作者提供

似白非白的鱗片

我們可能常常直覺的把構造色與光亮的炫彩畫上等號,事實上在大自然裡,生物的構造色不見得都是如此。

我們在平地或山區都有機會見到,分布範圍相當廣的白粉蝶Pieris rapae),身上其實也具有大片的構造色,但我們在牠身上看不到光輝的炫彩現象。

白粉蝶的翅膀,有局部的鱗片具有黑色色素而形成深色斑塊,其他區域則主要呈白色,或略帶有一點淡黃。以往,白粉蝶身上單純的色彩多被認為是色素色,可是那些佔大多數的白色鱗片,實際上並不含白色的色素

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白粉蝶的翅膀上有著非炫彩性的構造色。圖/作者提供

在白粉蝶的鱗片表面,具有許多枝狀的構造,其表面又附著了許多如珠子般的微小顆粒,顆粒本身也沒有色素成分。其實是這些顆粒反射了特定光線,導致翅膀呈白色的構造色。

不管是構造色的成因,以及所造就的色彩樣貌,當中複雜且多樣的機制,往往遠超出人類所想像。許多的昆蟲的表皮,構造色與色素色這兩類色源,並時常同時存在,兩者交織構成體表展現的色彩

用「光」代替顏料上色

物理結構形成的色彩,理論上能夠長期存在,能夠避免褪色的問題,人類也從中得到了不少科技靈感,試圖在工業產品上重現這般的顏色。

日本的纖維公司便參考了閃蝶翅膀的原理,研發出不使用化學染料,而是運用物理特性顯現色彩,名為「藍默纖維」(Morphotex)的環保材質。這樣的材質有什麼優點呢?構造色呈色的纖維不需要經過傳統的化學染色製程,能減少產生的廢料,亦減低了水資源與能源的消耗。

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陽光下的異紋紫斑蝶(Euploea mulciber barsine),藍紫色光澤明顯。圖/作者提供

如果掌握了不會褪色的顏色技術,還有機會應用在太陽能板塗料、印刷、化妝品、鈔票防偽等方面,幫助解決許多技術問題。

昆蟲及各式動物與生俱來的外貌,有時比人類費力研發出的技術都要精巧得多,甚至可能悄悄改變人類的生活。人類應該善待並維護自然資源,這顯然是很重要的一項理由。

  1. What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?
  2. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R., and Wootton, R. J. (1999). Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings: Biological Sciences, The Royal Society of London 266, 1403–1411.
  3. Ragaei, M., H.S. Al-Kazafy, N.A.E. Farag, H.H. Elbehery, and A. Abd-El Rahman. (2017). Role of photonic crystals in cabbage white butterfly, Pieris rapae and queen butterfly, Danaus glippus coloration. Biosci. Res. 14: 542-547.
  4. 王仁敏(2017)。蝶翼的絢麗幻色。蝶季刊 2017 卷 2 期:19 – 19。

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李鍾旻_96
7 篇文章 ・ 8 位粉絲
目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。

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向毛蜘蛛的「非常好色」學習
彭 琬馨
・2016/06/17 ・2464字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

如果我們的油漆不再需要有機色素的調配,而是以仿生學中、模仿毛蜘蛛非炫彩藍色的奈米結構製作?

「這個計畫結果如果發表,可能未來三五年內,就有機會把這些非炫彩的結構色,用工業方法大量做出來商品化。」採訪這天是 美國時間 4 月 25 日晚上十點,距離熊柏凱在 experiment.com 網站提出的募資科學實驗計畫,還有幾天就要截止。

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先從顏色講起:結構色與色素色大不同

若非科班出身,要了解「非炫彩結構色」這幾個字可能比讀天書還難,不過開啟話題前,先來說說大自然中的顏色到底怎麼來。

自然界色彩產生的途徑有兩個主要來源:一為色素色、另一為結構色。油墨、染料這類物質的顏色之所以能被眼睛看見,是因為色素選擇性吸收某些特定波長的光,再將剩餘顏色光線反射/散射回觀察者眼中,在此同時材料也因為不斷吸收光線能量,導致物質分子鏈結被破壞,最後材料逐漸褪色,這類色彩產生原理就稱為「色素色」。

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印刷出來的顏色屬於色素色。圖/stux@pixabay

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另一種結構色就不同了,它指那些不是經由化學染料,而是光學上、小於一微米之間的內部物理結構,對光線頻譜波長引發散射、繞射或衍射等作用,進而影響肉眼接收到的色彩光波、造成閃爍效果的顏色。自然界中許多昆蟲、蝴蝶、鳥類羽毛的顏色,就是透過這種方式產生。

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孔雀羽毛的顏色屬於結構色的代表。圖/Michelle Daigle@PublicDomainPictures

由於不同結構、光線進入方式與觀看角度,都會影響顏色變化,科學家希望找出這類生物改變色彩的方式,模擬應用在材料製作上(參考:孔雀羽毛為何特別明亮)。最簡單的例子是大家錢包中金融卡/信用卡背後的雷射標籤,就是利用雷射在原本透明的塑膠(或反光材質)上打洞,影響光線行進方向才產生顏色不停變化的結果。

仿生學:向大自然拜師學藝

像這類模仿生物體特質、「對大自然合法抄襲的學問」就稱為仿生學( Biomimicry/ Biomimetics ),從 1958 年美國史提爾(J. E. Steele)少校提出至今,已經有非常多相關的應用研發(參考:仿生-以自然為師的科學),這個學門的應用研發其實遍布日常生活(受鬼針草啟發的魔鬼氈就是最好的例子),只是我們通常身在其中而不自知。從色彩的角度來說,生物體結構色的原理是仿生學可以效仿的對象,透過模擬生物體上色彩產生的構造,就可以相對應的做出結構色鮮豔的色彩效果,不過最大的問題在於結構色的「炫彩現象」(Iridescent)。這是由於生物體身上的奈米結構不是平坦的,當光線進入時,只能在某個視線範圍內反射單一色彩(參考:大藍閃蝶上的耶誕樹結構),相對侷限了結構色應用的範圍。

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熊柏凱於TEDxUniversityofAkron上的演講。圖中的投影片,正在說明大藍閃蝶翅膀上特殊的結構可反射出藍光,而人類模仿這樣的結構精進了許多高科技技術。圖/熊柏凱提供。

3D列印 重現蜘蛛非炫彩結構色

「炫彩現象是限制結構色在日常生活應用一個很大的因素,通常我們不希望顏色一直改變」,鑽研仿生學多年、目前在美國艾克朗大學就讀的熊柏凱,研究主題很特別,他從具有鮮豔藍色的毛蜘蛛身上,找到特殊的多層膜奈米結構。

「我們發現不但所有毛蜘蛛都是相同的藍色,角度改變也不會讓顏色有所變化」, 他提到這個發現,興奮不已,因為這有可能擴大結構色過去使用範圍。他在實驗中假設,如果能將這個多層膜結構用 3D 列印方式做出來,就可以「用工業方法主動複製出簡單結構」,讓毛蜘蛛身上這種非炫彩現象進一步商品化。

有機藍色染料 在自然界中難合成

不只非炫彩的結構色在自然界中難以尋覓,這種毛蜘蛛還有一個特點讓牠與眾不同,「有機藍色染料在自然界中稀少又難以合成」,經過多方研究熊柏凱發現,這種毛蜘蛛至少經過八次獨立演化,身上的奈米結構從未在其他藍色物種中發現,也因此讓這種接近 450奈米、正負十奈米間的鮮艷藍色,成為毛蜘蛛身上的獨到特色。

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毛蜘蛛。圖/Michael Kern, www.thegardensofeden.org

研究過程 關關難過關關過

熊柏凱研究毛蜘蛛多年,過程中辛酸血淚兩隻手都數不完,光是為了找出適合研究的品種與顏色,就耗上一年半載;接下來還得進一步分析毛蜘蛛身上奈米結構的規律。「仿生學最精華的部分就是我們如何從這麼多的物種中找出共同特性」,為了蒐集足夠樣本進行研究,熊柏凱心中早有張門路清單,知道哪裡能以經濟實惠的價格,買到稀少又昂貴、品質卻有保證的毛蜘蛛。

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圖中最左邊的就是這次的受訪者熊柏凱博士。圖/熊柏凱提供

「如果能以結構色取代有機染料,只要少數幾個材料就能做到很多顏色,加上結構色不會褪色的特點,還能長久使用!」雖然這些優點並非一開始的研究動機,但說起自己的研究,熊柏凱有滿滿的自信。即便研究的只是毛蜘蛛身上一個非常渺小、看似不足為奇的結構組織,卻有可能為未來世界的色彩帶來天翻地覆的改變。

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彭 琬馨
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一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。