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超級飛行高手-《大黃蜂飛得比波音747還快》

時報出版_96
・2014/03/19 ・2959字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

蜜蜂對於環境與人類福祉的重要性說也說不盡。超過兩萬種的蜜蜂跟螞蟻和大黃蜂是最相近的品種,在含有昆蟲授粉開花植物的每一處棲息地都可以發現它們的身影—也就是說,除了南極洲之外其他隨處都能看到。從身長不足半英寸到最大有一·五英寸的切葉蜂(leafcutter bee)都有,是多種鳥類與蜻蜓最愛的美食。可是,這麼多種類的蜂當中,只有七種具有成為「蜜」蜂的資格。除了最顯而易見的當食物和防腐劑之用,蜂蜜也是一種天然的濕敷藥物和抗生素,被拿來敷在傷口上的歷史已經有好幾個世紀、甚至是數千年之久。有一款新的上市藥品「蜂蜜藥膏」(HoneyMed)是將蜂蜜塗抹在傷口和皮膚病的現代治療藥物,沒有對抗生素產生抗藥性的風險。

蜜蠟也被使用於世界上每一種文化,至少從埃及時期就開始被用來製作各種東西,包括從澳洲原住民樂器迪吉里杜管(didgeridoo)—以一根長長的、空心的粗枝做成的特殊管樂器—吹口,到菲律賓魯特琴(lute)、大弓與子彈的製造、脫蠟鑄造、指甲美容和造船業使用的岩棉製品、八字鬍梳理、蠟燭等等。有意思的是,蜜蠟可以當成一種潤滑劑,只要混合石蠟(paraffin)即可拿來作為附著磨擦力的媒介。所以有助於書桌抽拉式抽屜滑動更順暢,或是在衝浪板上打蠟確保玩家不會腳滑摔倒。蜂蠟在古羅馬時代和中世紀時期被用來當作交易貨幣,而且羅馬人過去習慣使用銅尖筆在蠟版上刻字。這種古代版的白板用過之後只要再軟化、整平,然後就又可以寫字了。

西元三世紀亞歷山大里亞城的幾何學家暨天文學家帕普斯(Pappus of Alexandria)是解釋蜜蜂把蜂蜜貯藏在六角形蜂窩室原因的第一人,因為這樣一來它們就可以在最小空間裡存放最大量的蜂蜜。此後養蜂人家、數學家和工程師們更紛紛對蜂巢作分析。一隻蜜蜂必須攝取大約八磅的蜂蜜才能分泌一磅的蜜蠟,所以建蓋效益最高的蜜蠟結構體便成了首要工作。

數據顯示六角形結構可以在材料使用量(這裡指的是能源密集型的蜂蠟)最少的情況下補好或砌成一個既定的表面區域。一小格的蜂巢是經由重複七十度角、一百一十度角和一百二十度角所構成。每一個蜂巢也有共同牆面,這能省下更多蜜蠟同時充分利用3D空間(下圖)。

蜂巢。(公共版權,Sean Hoyland)

總部設於紐約的優板公司仿效蜂巢六角形結構研發出了清紋系列(ClearShade)中空玻璃(下圖)。清紋玻璃會控制能夠進入建築物內的太陽熱量,同時允許足夠的光線照射進去。這系列玻璃也會製造出有趣的視覺效果,因為它的內部結構會將室外景色分解成展開的像素化圖像。在甘迺迪國際機場新的捷藍航空(Jet Blue)候機航廈和許多大學校園與其他建築中都裝設了這系列玻璃,能夠控制熱量吸收並大幅降低空調費用。

80 Panelite Glass
加州大學佛雷斯諾分校亨利.梅登圖書館所使用的優板公司清紋玻璃。(作者提供)

蜂巢結構也被世界各地的建築師所採用。一家稱為多元建築(Various Architects)的挪威公司應用這種六角形狀建了一個移動式表演場地,可以攤開來容納三千五百位觀眾,收納體積小到能夠放進三十個貨櫃。知名中國建築公司MAD建築事務所在天津建設的中鋼摩天大樓為求以不發電方式調節光線與熱量,整個建築外觀採用蜂巢形狀的窗戶。蜂巢壁也啟發了座落於斯洛維尼亞共和國伊佐拉(Izola)一棟得獎的高密度複合式社區所採用的陽台系統,該系統兼顧了遮棚功能和住戶隱私(下圖)。

82 Honeycomb-inspired apartments in Izola, Slovenia
座落於斯洛維尼亞共和國佐依拉的蜂巢仿生公寓。

看過一群蜜蜂窩在蜂飛進飛出嗎?它們似乎都不會互撞碰撞。擁有三百度的視野寬度,蜜蜂幾乎真的是「腦袋後面長了眼睛」。這使得它們能夠準確地飛在無數移動與靜止的物體之間。日產汽車公司標榜要讓他們的汽車致死或重傷人數減半,已經轉向仿生技術,應用蜜蜂的凸複眼開發出了一個雷射測距系統(Laser Range Finder,簡稱 LRF)。當一部汽車被LRF偵測到確實有撞車危險時,該系統將模仿蜜蜂敏捷的動作,在瞬間接管車子方向盤系統,轉動輪子方向使其偏移預估的衝撞點。持續執行主動防護科技(Safety Shield)研發計畫;日產汽車更進一步研究仿生技術,加入魚群既可迅速並進前游又能夠保持前後距離的能力。準備使用於汽車當中,日產汽車製造了一組能夠在通訊的同時掌握協調性避免撞車的EPORO機器人汽車原型。EPORO是「episode 0 robot」的簡稱,因為日產汽車的終極目標是要製造「零」事故、「零」排放的汽車。

蜜蜂也是關於群體行動邏輯研究的重要主角。藉由研究群體行動邏輯,可以瞭解一大群個體的行為,如蜜蜂、螞蟻、黏菌(slime molds),甚至是城市社區的群聚形成,並不是因為某個中央情報,只不過是簡單訊號激發一個又一個的行動,加起來變成的複雜結果。軟體理所當然是應用該項策略的地方,例如,加拿大多倫多的再生能源公司(REGEN Energy)便已投身於提升建築能源效益。他們出租或銷售屋主能夠傾聽與學習房屋電器和冷暖系統電力週期的無線裝置與軟體,然後這些裝置相互協調在有需要時開機,在不需要時關機,以降低電費顛峰時間總用電量。一般房子將會有十至四十個控制器共同運作,就像一個蜂窩那樣。測試顯示購物中心、醫院、飯店或工廠可以省下多達三○%的巔峰用電支出。

人類最先進的科學分析與流體力學方程式驗算結果「證實」大黃蜂不會飛,但它們可以飛,而且有極佳準度與導航能力。這種不可能的能力成了幾項研究計畫的主題,包括日產汽車也投入了研究。如果人類能夠複製蜜蜂飛行效能與機動性,飛機設計將能往前躍進一大步。蜜蜂還有兩組翅膀,飛行時緊密相連在一起,降落時分開折疊起來。如果飛機的翅膀可以像蜜蜂的一樣具有機動性且可折疊起來,那麼飛機的降落與停放就更容易了。這對航空母艦或城市裡密度越來越高的機場而言更是好處多多。

蜜蜂身上不只有翅膀啟發了人類技術創新,其實它們的眼睛也不遑多讓。德國比勒費爾德大學(Bielefeld University)的沃夫岡•斯圖濟(Wolfgang Stürzl)與他的同事們正在設計一個擁有最大廣角鏡頭的相機,是要用在小型機器人飛機上的。他們找到了模仿對象,就是蜜蜂驚人的三百度廣角視野近乎一覽無遺的眼睛。蜜蜂也擁有辨識與吸收偏振光(polarized light)的驚人能力。它們利用太陽的位置作為進出蜂窩的導航,而且擁有一種光學里程表,這種內在測距儀的運作是利用它們飛行時追蹤地形影像移動速度快慢。包括瑞典隆德大學(Lund University)的瑪莉•戴克(Marie Dacke)和昆士蘭大學的曼戴亞姆•史利尼瓦桑(Mandyam Srinivasan)等研究人員都在分析蜜蜂擁有媲美GPS系統與追蹤裝置的導航能力。

一九二○年代關於的俚語「蜜蜂的膝蓋」(the bee’s knees)是形容人們覺得一件事情非常傑出、出色的意思。澳洲政府科學與工業研究團隊(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,簡稱 CSIRO)發現跳蚤的膝蓋也很厲害。CSIRO已經製造出一種近乎完美的橡膠,具有九五%的恢復力。他們的科學人員研究了節肢彈性蛋白(resilin),這是構成許多昆蟲關節的一種蛋白質,包括蜜蜂。把節肢彈性蛋白想成一種彈簧,能夠吸收施壓力量或壓力,然後在壓力解後再將能量釋放。節肢彈性蛋白的效能比合成或天然橡膠高出非常多,它賦予了蜜蜂一分鐘拍振翅膀一千次的能力(或者說一輩子的時間中拍振五億次),也讓跳蚤能夠儲存足夠的運動能量,彈跳一次的距離可以有身長一百倍之遠(換算成人類距離等於六百英尺遠)。這是人類所知效能最好的彈性蛋白,其合成物質將可被用以提升從心臟瓣膜作用到跑步鞋彈跳力等各種東西。

 

摘錄於PanSci 2014年3月選書《大黃蜂飛得比波音747還快》,由時報出版。

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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牠如何長出一雙「隱形的翅膀」?——玻璃翼蝶的成長日誌

Curious曉白_96
・2021/10/28 ・3597字 ・閱讀時間約 7 分鐘

蝴蝶的美,源於牠們擁有的千變萬色的翅膀,這些色彩是門面,也是保護傘,鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近!小心牠們有毒(即便有些蝶其實没毒 XD);擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛,或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀,嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命,但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧,幾近透明如玻璃的翅膀,即使飛行也如穿上一層隱形罩袍,讓大家都難以察覺牠的存在。究竟,這個蝶界的「小透明」是如何成長?又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感?Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶,又名寬紋黑脈綃蝶(學名:Greta oto,俗稱透翅蝶),屬於鳳蝶總科的蛺蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變,有些如珍珠般光滑透亮,有些點綴上小撮鱗毛,有些具有雕刻般的紋路。

玻璃翼蝶, 又名寬紋黑脈綃蝶 ,俗稱透翅蝶,為蛺蝶科寬紋黑脈綃蝶屬。圖/EOL

幼蟲時,牠們主要吃的是夜香樹屬的植物,這類植物含有具毒性的生物鹼,且能夠存儲於幼蟲體內,當有些鳥兒吃了他們,輕則拉肚子,重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同,即便同屬鱗翅目(Lepidoptera),他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物,例如菊科(含生物鹼 (pyrrolizidine alkaloids))、馬纓丹屬植物,讓掠食者們敬而遠之。

鱗翅目招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛。圖/EOL
可從罌粟分離出生物鹼-嗎啡。圖/維基百科

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢?帕特爾(Nipam H. Patel)和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》(Journal of Experimental Biology),他們分別在其成蛹不同時間點(16, 30, 48, 60 hr)進行解剖,並觀察其生成翅膀型態的變化(如圖一)。

  • 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣,蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成,接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞(Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞)。在翅膀生成前期,帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比,具有較低密度的 SOP 細胞,因此他們猜測,玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異,導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節,進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

  • 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞(scale cells)及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞(socket cells),鱗狀細胞主要位於翅膀內部,而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞,並位於翅膀較為表層的位置。此外,他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片,而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣,像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

  • 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長,這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了!非透明翼區(尤其是翅膀周圍有顏色的分界線)有很粗的肌動蛋白束,鱗片細胞呈圓扁狀;而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸,並產生兩種型態(短小倒三角狀及狹長鬃毛狀)的細胞交替分布於其中。

  • 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」,形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長,而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度,甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦(葉狀),並在尖端處形成鋸齒狀。

隨成蛹時間翅膀發育變化。 圖中洋紅色螢光為 SOP 細胞,綠螢光為肌動蛋白,粉紅色螢光為鱗狀細胞膜,成蛹 30 小時,透明翼區(Clear)與非透明翼區(Opaque)細胞分布密度差異大,成蛹 48 小時後兩區域細胞開始發展成截然不同的型態。 圖(一)/參考資料3

我們之所以能看到非透明物體具有色彩,是由於物體會吸收部分光線,並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異,差異越大,表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例,因為其組織與周遭環境(水)的折射率相近,因此他們就能施展「隱身術」。但是呢!在陸地上,要隱身可難囉~因為陸地生物組織的折射率(n=~1.3-1.5)和空氣(n=1)的折射率差異很大,所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片,每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色,並與光於奈米結構層級上進行交互作用,產生所謂的「結構色(structural coloration)」,選擇性吸收特定波長的光,且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地,像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明,讓光線穿透,並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體,關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜(chitin membrane,也稱甲殼質),這層膜並不會明顯地吸收或反射光線,因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感:抗反射材料的誕生

然而,幾丁質膜的加持還不夠,因為幾丁質本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,還是會有反射光。為此,透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」,造就此構造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動,使光線更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀顯得凹凸不平,不但能減少因相同角度反射所產生的眩光,還能使光線呈現漫反射的效果;可是,透過電子顯微鏡的觀察,科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % (空氣與翅膀介面的比率),後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞,蠟質層似緩衝膠,因為比空氣密度大,能緩衝光線穿透翅膀的速度,還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光,若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層,則會使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到,卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射,並透過蝕刻沈積技術(etching techniques)製造了仿透明蝶翅的塗層,厚度僅 500 奈米,且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段,但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上,還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率,甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備,這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

卡爾斯魯厄理工學院研究團隊於 2015 年在《自然通訊》期刊中發表玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射。圖/參考資料4

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森(Sonke Johnsen)曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱,但蠟質層倒是個令人費解的新發現,蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構,為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢?因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西!不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機,不再受惱人的反光所擾,這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了!

仿生透明翼蝶產品,對人類來說,是一個保護眼睛、免於反光摧殘的一項發明。 圖/GIPHY

參考資料

  1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
  2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
  3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
  4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
  5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
  6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
  7. 科技大觀園:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
  8. 求真百科:玻璃翼蝶
  9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
  10. MPlus | 隱形的翅膀:玻璃蝴蝶的透明演化之謎

Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!
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