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》

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」）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

參考資料

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。

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。

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」。

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。

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。

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。

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。

「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。

建築物的玻璃是造成鳥類死亡的首要威脅，據估計在美國每年造成5.5億隻鳥類死亡。這個問題讓世界各地的鳥類學家傷透腦筋，雖然設計了防鳥撞擊玻璃的貼紙和膠帶，但是成效有限。德國慕尼黑海拉布倫動物園(Hellabrunn Zoo)召集的合作團隊經過八年的苦思，直到蜘蛛網給了個好點子，設計一種特製玻璃。經過測試後，66%的鳥隻會閃避特製玻璃，即將登場大幅降低鳥類撞裂成仁的悲劇。

每年五億五千萬隻鳥撞裂成仁

美國林務署(United State Department of Agriculture, Forest Service; USDA Forest Service)在2005年的評估報告中指出^[1]，鳥類因人為因素死亡的主要原因是撞擊建築物玻璃致死。估計在美國每年造成5億5千萬隻鳥類死亡，占總數的58.2%，其餘因素分別是電線(1.3億隻)、野貓(1億隻)、車輛(8千萬隻)、殺蟲劑(6千7百萬隻)、基地台鐵塔(450萬隻)、風力發電機(2.85萬隻)、飛機(2.5萬隻)及其他(漏油汙染、漁業混獲等)。尤其在春天鳥類繁殖季時，以及秋天鳥類遷徙時，更是撞擊致死的高峰。

無論是巨大的玻璃帷幕建築、還是自家住宅的小窗戶，都會引起鳥類撞擊玻璃而死。主要是因為鳥類看不見透明的玻璃，或是玻璃上的風景鏡像，都讓鳥類毫無顧忌的快速飛去，結果卻是通往另一個世界。這個問題困擾鳥類學家已久，曾經設計過防鳥擊的猛禽貼紙、膠帶、塗料、毛玻璃等方法，但是成效有限，也影響建築物原先設計的的採光和美觀，不容易大幅推廣。

那些蜘蛛教我的事

德國慕尼黑海拉布倫動物園的強化玻璃觀賞窗也面臨同樣的問題。園長Andras Knieriem不忍心園區內的野生繁殖鳥和候鳥因此於動物園終結一生，決定要解決這個問題，與玻璃公司Aronld Glas的研發員Christian Irmscher及鳥類學家Wolfgang Fieldler合作。Christian Irmscher為這個問題苦思了八年，嘗試過各式各樣的方法，或是在窗前栽種竹籬。但是，這些讓玻璃不透明的方法，都會影響遊客觀賞動物的視線。Christian Irmscher 說：「不影響玻璃的透明度，但是要讓鳥有所警覺。」

最後，大自然給了他一個解決之道。

為了避免鳥類毀了蜘蛛耗費大量能量製作的蜘蛛網，有些蜘蛛絲能夠反射紫外線。鳥類的視網膜上除了具備人類也有的三種的錐狀細胞：紅色、綠色和藍色，還有一種接收紫外線的錐狀細胞。大多數的鳥類都有紫外線視覺，用來尋找食物(由花瓣和田鼠的尿痕反射)和伴侶(由異性體羽反射)^[2]。這個知識讓Christian Irmsche在玻璃中加上能反射紫外線的材質，並且設計成網狀，作為防止鳥擊的專屬玻璃(anti-bird-strike glass)。在鳥類的視覺裡，是一片帶有不透明網狀圖樣的玻璃；在人類的視覺裡，那仍然是一片透明無瑕的玻璃。

快來試試看效果如何！

鳥類學家 Wolfgang Fieldler 趕緊測試特製玻璃的效果。他在僅一面牆有窗戶的暗房中做測試，窗戶分別裝上特製玻璃和一般的玻璃。為了避免鳥撞上玻璃而受傷，在窗戶前架了一個安全防護網。以一些常見的鶇科(Turdidae)和山雀科(Paridae)鳥類做測試，如黑鶇(Turdus merula) 和大山雀(Parus major)。受測鳥類會從包著黑布的鳥籠中飛出，將特製玻璃視為障礙物的大山雀，會在特製玻璃前徘徊一陣之後，轉而向一般玻璃飛去。最終的測試結果，共有66%的鳥隻會將特製玻璃視為障礙物。 Wolfgang Fieldler 說：「雖然不及我們所期望的達到100%或95%，但是這樣的比例告訴我們，已經可以救回非常多的小鳥。」

這些特製玻璃先安裝在北極熊區和鵜鶘區，遊客不僅能在安全無虞的狀況下觀賞動物；園區內的野鳥，也能盡情地飛翔。

動物園園長 Andras Knieriem 說：「從此以後，再也沒有翠鳥撞上玻璃了。」

延伸閱讀

• ORNILUX Bird Protection Glass，這段故事的影片
• American Bird Conservancy 的鳥類防撞計畫，以及一些防護措施
• Fatal Light Awareness Program (FLAP) 保護候鳥在城市環境中生存安全的非營利組織
• FLAP Mapper FLAP所建置的地圖系統，除了呈現現有資料，任何人也都可以回報
• 我在台灣，我要猛禽防撞貼紙，請按這裡，與路殺社聯繫
• 吾非鳥，亦知鳥之樂與殤 —《鳥的感官：當一隻鳥是什麼感覺？》

引用文獻

1. Erickson, W. P. et al. 2005.  A summary and comparison of bird mortality from anthropogenic causes with an emphasis on collisions. USDA Forest Service General Technical Report. PSW-GTR-191.
2. Cuthill, I. C. 2006. Color perception. Pages 3–40. in Hill, G. E. and K. J. McGraw, editors. eds. Bird Coloration, vol. 1: Methods and Mechanisms. Harvard University Press.