0

1
1

文字

分享

0
1
1

仿生:向自然取經的智慧與藝術

Gilver
・2014/04/15 ・3739字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

MIC20_original

記錄 / Gilver

人類早從遙遠的史前時代就已經開始取之於自然。隨著歷史更迭和科技革新,工業製程逐漸成為主流,但發展至今卻面臨成本漸高的困境,人類也因此付出環境破壞的代價。於是人們再一次師法自然-近15年來,由基礎科學研究衍生而來的「仿生學」,應用大自然的經驗來解決問題,人們得以追求更好的性能、更低的能源消耗、更少的廢料、更低的毒性、更低的價格。說了這麼多,那麼目前科學界有哪些是當紅的仿生題材呢?另一方面,你是否想過仿生和藝術結合的可能性?今晚M.I.C. 第20場,即以仿生為題,由清大材料科學工程系助理教授陳柏宇、和MakerBar Taipei創辦人闞凱宇共同開講,且讓我們看看仿生材料和仿生藝術,能夠激盪出甚麼樣的火花!

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

仿生:來自大自然的靈感

陳柏宇老師目前任職於清華大學材料科學工程系,是首位國際著名學術期刊《科學》邀請撰文的臺灣學者,他的專長研究領域即為仿生材料。陳老師認為,「仿生」不僅只是模仿生物而已,更以生物作為啟發靈感的來源,因此觀察力非常重要。今晚他想和聽眾們分享幾個有趣的仿生研究。

在可取得的材料中,天然的材料相較於人造材料較為有限,像是礦物質、蛋白質和多醣類,它們和傳統的「製造」條件不一樣,需要在穩定的環境下花費時間「生長」,此外生物體的天然材料還具有自我修復、以及複雜階層結構的特性。例如以蛋白質和礦物質這兩種材料,前者的特性是軟而韌,後者則是硬而脆,若將兩者的特性各取其優,便有機會創造出更輕、更強且更韌的複合材料;而在未來,人造材料的發展也將面臨製造昂貴或是傷害環境的困境,未來有期以生物材料解決這些問題,比如說從自然界尋找新的材質,例如纖維素、幾丁質或是木頭,盡量減少毒物使用量的環保製程來取代傳統工業製程。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

仿生的例子,比比皆是

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

天然材料雖然有限,但有無限的可能。陳老師曾經為了研究韌而輕的結構性生物材料,就曾以鹿角、貝殼、蟹殼和海綿為研究題材。蜘蛛絲是另一個輕而韌的例子,以單位密度來說,蜘蛛絲相當的強韌,但蜘蛛結網時卻不能讓整張網都強韌過頭,網上也要有能夠吸收昆蟲撞擊的部分,否則送上門的獵物可能反而會被彈走,故蜘蛛利用調整蛋白質的結晶形式、吐出不同強度的絲,讓整張網不同的部分各自發揮其效用。

接下來,陳老師顛覆了聽眾對玻璃的印象。矽藻是一群原始的單細胞藻類,卻有著繁複樣式的多孔矽質外殼,對仿生學家來說,矽藻們就好像是蒐羅各種工具的博物館。一般而言,以二氧化矽為主成分的玻璃是易碎的,但類似的材質在海綿的矽質針狀骨中,卻成為韌性良好、不易斷裂,堪稱是不會碎的天然玻璃,它的秘密在於具有孔洞的多層微觀結構,能夠阻擋微小的裂縫擴大。仿生學將之應用到大樓設計中。

鮑魚殼的內側閃耀著珍珠光澤的「珍珠層」,則是強韌的天然陶瓷材料,其主成分為碳酸鈣。它的殼壁組成好比是微米級的磚牆,以碳酸鈣為磚塊、有機層作為交界面砌成,透過研究觀察,鮑魚殼從巨觀到微觀都有著提升韌性的結構特性。而在陳老師的實驗室,即是將陶瓷材料加上些許高分子層狀材料,便可做出模擬鮑魚殼、具有韌性的陶瓷;除了從材質下手,也可以用冷凍鑄造法做出一種特殊的陶瓷,來模仿鮑魚殼的結構。

輕還不夠,機能性嘛要顧

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

而在輕而強的複合材料面向,則可以師法卡通裡常見的巨嘴鳥。雖然巨嘴鳥的嘴,卻非常的輕,其秘密在於鳥喙的角質層外殼內部是完全中空的封閉腔室,裡面是有機薄膜包覆的骨架,使得巨嘴鳥的鳥喙重量輕、又具有機械強度。「就好像是你拿很輕的多孔性海綿,塞入同樣很輕、又可以折彎變形的吸管,就能使得它不容易被壓扁,也不容易被折彎。」 陳老師以模型示範說道。 羽毛也是同樣很輕的生物材料,僅憑肉眼就可以觀察到它具有一些孔洞。但羽毛可是別有洞天,洞裡還有洞!羽毛的內壁也是中空的,可減輕重量並兼顧機械強度。鳥類的骨骼也是類似的輕量化設計,骨骼壁薄且內有支架。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

抗彎折的輕複合材料,例如豪豬的尖刺和某些熱帶植物的莖和葉柄,也同樣是利用一層殼包覆住輕質的結構達成。輕量化的設計當然還可以應用到新型飛機,但新型飛機的仿生設計已不滿足於變得更輕,它還可以朝著模仿鯊魚低阻抗的表面、蝴蝶和飛鳥的羽翼形狀、貓頭鷹的無聲飛行和高效能的老鷹飛行……等等為面向更「進化」。

最後,來討論自然界的吸附機制,其中壁虎、鮑魚和樹蛙都是佼佼者。壁虎利用腳掌的奈米纖毛產生的凡德瓦力吸附牆面,鮑魚的腹足也有類似的結構。樹蛙的腳過去以為只是吸盤,但後來發現它也有奈米結構,使樹蛙特別能在粗糙的表面移動。類似的結構還有臺灣高山急流區的生物,擁有能夠吸附、又能移動的適應現象。 雖然目前還沒有具體的產業專門做仿生材料,但它可以應用到生活周遭,像是衣服、汽車到推動節能、生醫技術的發展。陳老師和其他學者共同撰寫的《Biological Materials Science》也已經出版,是第一本仿生學的教科書。

仿生衍藝:數位時代的仿生藝術

闞凱宇先生是設計公司「衍象設計 FABRAFT DESIGN LAB」和3D列印工作空間「MakerBar Taipei」的創辦人,今晚他將以「仿生衍藝」為例,分享設計師如何利用仿生思維進行創作。

「仿生衍藝」(Parametric Vine)是闞凱宇2013年和國立臺灣美術館合作的工作坊。若說陳柏宇老師是研究仿生的科學,闞先生就是將仿生當成藝術設計的創作元素。仿生(Biomimicry)就是模仿生物的造型和機能,透過觀察、分析生物的生長邏輯,歸納出一套演算法,將仿生元素的優點融入設計思維之中。過去的設計多是平面繪圖的形式,而未來透過程式模擬,將能夠把設計更進一步帶到更高程度的仿生境界。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

以工作坊中使用的Diffusion-limited aggregation(DLA)為例,它是一種模擬植物生長型態的演算法,能夠產生如樹枝般生長、擴張的圖形。在活動中,設計師能夠以程式語言給軟體下達指令,再加上沒有相關背景的學員的參與,共同利用這套演算法,設計出一千多個造型不同的單元體,最後在3D列印技術的助力下,組成長達六公尺、如巨型帷幕的數位藝術品。

數位時代的仿生未來

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

歸功於電腦的運算和3D列印的技術,我們能夠短時間內大量製造出不同造型的仿生設計作品,突破傳統製造方式的侷限、增幅客製化物件的效率。再加入每個人獨特的思考模式,最後加以組合,所產出的就是集結數位製作、程式語言和民眾參與的結晶。 數位製造有賴於精準的數位設計,也就是程式語言。無論是生物的仿生或是幾何的邏輯,都要想辦法讓電腦看得懂。以骨骼仿生的建築師在設計建材和結構時,也是透過演算法達成。

然而,所謂的仿生並不僅只是模仿生物的造型,生物體的機能才是仿生的精神所在,在此提供一個網站 AskNature.org,它以線上問答的方式提供豐富的仿生知識,給設計師參考。 Nervous System也是一支以演算法模擬神經網路模式進行創作的設計團隊,讓人印象深刻。除了演算法,仿生思維還可以融入傳統的設計模式,做出一些特別的物件,像是蒲公英球和沙漠甲蟲儲水瓶。

問與答:關於蜘蛛人的科幻夢,科學家想說的是……

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

陳老師表示,構成蜘蛛網的絲分成兩種:強韌的「牽引絲」和具有黏性、能吸震的「網狀絲」。兩種絲的本質都是蛋白質,但結晶的程度不同,受到蜘蛛吐絲器官精密的控制。如果科學家能夠控制高分子材料的結晶方式,或許可以做出更為強韌、機械性更高的纖維。不過,蜘蛛的吐絲器官極為精密,是目前的機械所比不上的;而且目前也沒辦法透過飼養蜘蛛來大量產絲,因為蜘蛛飼養不易,牠們不喜歡被養在一起,會互相吞食。所以蜘蛛人的夢想,可能還要再等等!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

仿生,有時也有意外

仿生一定會成功嗎?會不會有跟預想完全不一樣的結果出現? 陳老師說,他研究的其中一項主題—「超親水表面」,即是以豬籠草為題。豬籠草的捕蟲籠唇部原本具有親水性,在雨露沾濕的情形下,覆上水膜使得它變成了超親水表面,讓昆蟲一失足即成千古恨。陳老師的研究團隊用翻模的方法想模擬豬籠草超親水表面,但受制於高分子材質的性質,它反而變成疏水了;可是,我們用電漿表面處理,它又變成親水了! 雖然做研究的過程中,我們會預設研究的材料有一個預設的功能,但不要忽略那些出乎意料的發現,因為它們可能就是讓材料變成多功能的契機。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

 

【關於 M. I. C.】
M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

本場演講由「科普資源整合運用推廣計畫」科技部科技大觀園的支持。PanSci泛科學與國家高速網路與計算中心共同舉辦,感謝時報出版贊助好書《大黃蜂飛得比波音747還快?》

文章難易度
Gilver
28 篇文章 ・ 3 位粉絲
畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。

0

4
0

文字

分享

0
4
0
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
193 篇文章 ・ 297 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

3

6
1

文字

分享

3
6
1
如何 3D 列印不會崩壞的蛋糕?
胡中行_96
・2023/03/30 ・1892字 ・閱讀時間約 3 分鐘

「那無疑是我從沒嚐過的味道」,論文的第一兼通訊作者 Jonathan David Blutinger 回想起初期的失敗,委婉地承認:「其實不難吃,只是與眾不同。我們畢竟不是米其林大廚。」[1]所幸皇天不負苦心人,在多次修正後,美國哥倫比亞大學的團隊,終於做出原料一樣,但是不再坍塌的蛋糕,並於 2023 年 3 月的《npj 食品科學》(npj Science of Food)期刊上分享食譜。[2]

3D列 印蛋糕的失敗百態。圖/參考資料 2,Supplementary Figure 1(CC BY 4.0)

3D 列印蛋糕的食譜

研究團隊的終極目標,是希望將來任何人均能用簡單的軟體烹飪,3D 列印再雷射加熱,創造經濟、健康且美味的餐點。他們選擇的食材相當普遍,全部都從美國紐約的 Appletree Market 超商購買。[2]

材料

Skippy 花生醬、J.M. Smucker 草莓果醬、Nutella 榛果巧克力醬、Betty Crocker 糖霜、Krasdale櫻桃淋醬、拿叉子搗爛的香蕉泥;以及用食物調理機攪 2 分鐘製成的全麥餅乾糊(8 塊全麥餅乾、2 湯匙的牛油和 4 茶匙的水)。[2]

步驟

(1)冷藏材料,使其變得濃稠,以穩定結構。[2]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(2)把各種材料灌入分別的 7 支針筒(30ml;14 gauge)。[2]

(圖/參考資料 2,Supplementary Figure 3(CC BY 4.0))

(3)將針筒裝進特製的 3D 食物印表機。[2]

(圖/參考資料 2,Supplementary Figure 2(CC BY 4.0))

(4)把壓克力餐盤擺在 3D 印表機下,盛接針筒擠出的條狀物。其直徑約 1.5 毫米,會逐漸累積出蛋糕的半成品。[2]

(5)論文有寫到運用藍光和紅外線,為蛋糕加熱。不過,實驗方法的段落,僅提及 3D 印表機附設的藍光雷射二極體(blue laser diode),也就是下圖中黑色的長方體。[2]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/參考資料 2,Supplementary Figure 4(Left;CC BY 4.0)
3D 列印蛋糕從失敗到成功的各個版本。影/參考資料 2,Supplementary Video 1(CC BY 4.0)

從上面的影片,可見早期幾個版本的蛋糕,非常容易崩垮。[2]研究團隊於是依據物質受力變形時,展現的黏性和彈性特質,即黏彈性(viscoelasticity),將食材分為「結構」與「填料」兩類,並在軟體中改變設計:[2, 3]用結構性強的全麥餅乾糊,作為蛋糕各層的形狀基礎,又以花生醬和榛果巧克力醬輔助支撐,再填入其他相對柔軟的原料。最後,他們調整 3D 印表機的針筒高度,並減緩列印的速度。如此擠出來的流體,尾端便不會蜷曲。能避免繩捲效應(coiling effect或rope-coil effect),破壞蛋糕表面的平整。要不然有時會出現本文開頭的圖組中,最末一塊蛋糕那種毛躁的外貌。[2]

a. 列印成功的蛋糕;b. 切開看內餡;c. 蛋糕設計;d. (1)全麥餅乾糊、(2)花生醬、(3)草莓果醬、(4)榛果巧克力醬、(5)香蕉泥、(6)櫻桃淋醬和(7)糖霜。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0)

3D 列印食品的推廣

目前 3D 列印食物尚未普及,此蛋糕的成形有如曇花一現。這一方面是基於科技新穎,懂得操作的人還少;另方面則因為這種印表機索價不菲,不是誰都玩得起。如果要商業化,研究團隊認為得採取 Gillette 刮鬍刀和 Nespresso 咖啡機的經營模式:壓低主要產品本身的價格,後續再從耗材獲利。換句話說,廠商賣出廉價的 3D 食物印表機,之後消費者就會以零買或長期訂購的模式,購買列印用的食譜和食物匣。食物匣的內容物,發展空間多元。除了碎肉和花生醬等泥狀物;也能推出醬油、橄欖油等液體;食鹽與胡椒之類的顆粒;還有百里香或香芹這類碎片等,任何可食用的東西。[2]

此外,在薄利多銷和產品開發的同時,也要提升大眾的接受度。偏好天然食材,或是不信任食品產業,都是對 3D 食物列印存有疑慮的原因。研究團隊提出的解方,是宣傳它的好處,例如:精準調配營養,不浪費材料;降低能源耗損;以及客製化的食譜等。[2]當然,似乎也就避而不談犧牲纖維質,以求列印順暢等問題。[1]總之,他們描繪出科技烹飪的美好願景,並且排除萬難,要讓飲食邁向全新時代。倘若有天上述的市場成熟,產品賣相比論文中的蛋糕誘人,您會願意品嚐嗎?

  

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

致謝

特別感謝許凱勝先生協助確認技術細節。

參考資料

  1. Sample I. (22 MAR 2023) ‘Have your cake and print it: the 3D culinary revolution is coming’. The Guardian.
  2. Blutinger, J.D., Cooper, C.C., Karthik, S. et al. (2023) ‘The future of software-controlled cooking’. npj Science of Food, 7, 6.
  3. Gan H, LAM Y. (2008). ‘Viscoelasticity’. In: Li, D. (eds) Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics. Springer, Boston, MA.
所有討論 3
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

0

2
2

文字

分享

0
2
2
活體犧牲不再?讓蚊子吸食水凝膠去吧!
胡中行_96
・2023/03/02 ・2680字 ・閱讀時間約 5 分鐘

以往病媒蚊研究中,人類志願者及受試動物,得犧牲小我以造福蒼生。活生生地,讓蚊子叮咬並吸食他們的血液。現在,美國科學家用充滿動物血液的水凝膠餵蚊子;將來或許還能改為填充蛋白質營養液。[1]從此以後,科學家便能像主持以酒代血的天主教感恩祭,慷慨地對蚊子說:「你們大家拿去喝,這一杯就是我的血,新而永久的盟約之血,將為你們和眾人傾流,以赦免罪惡。」[2]

圖/Australian Department of Foreign Affairs and Trade on Flickr(CC BY 2.0)

餵食蚊子的水凝膠

1944 年科學家 Samuel Gertler 合成的化合物 DEET(中譯「待乙妥」或「敵避」),在二戰期間被美軍用來驅蚊。[3]之後各種防蚊成份的研究過程,仍免不了仰賴人類和動物的活體貢獻。隨著近年 3D 列印與生物相容水凝膠的技術發展,開發替代品的時機逐漸成熟。理想上,餵食蚊子的水凝膠製品,要具備高解析度的 3D 列印血管、擴散於組織中的血液、對多種蚊子的吸引力、低廉的成本,以及較少的動物實驗倫理問題。此外,最好還能搭配一組攝影器材,與相應的數據運算模型。[1]

2023 年 2 月,美國研究團隊於《前沿生物工程與生物科技》(Frontiers Bioengineering and Biotechnology)期刊上,介紹他們一體成形的嘗試成果。[1]

水凝膠的「食譜」

類似於做捲心酥,要先調配麵糊,烘烤定型,才能在裡面填充內餡。此實驗的第一個步驟,是製作稍後能注入血液,或者其他液體的水凝膠。研究團隊先把適當比例的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、明膠甲基丙烯(GelMA)、甘油(glycerol)、LAP 光敏劑檸檬黃食用色素(tartrazine),混合在一起。[1]透過數位光源處理(digital light processing),使原料遇光固化,將內有曲折空管的水凝膠薄片,3D 列印出來。[1, 4]每批產出3份水凝膠,費時約 23 分鐘。[1]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

接著,成形的水凝膠,被丟進磷酸鹽緩衝生理食鹽水(phosphate buffered saline),浸泡至少 2 天。這段期間內,多餘的色素會不斷流出,所以要勤換水,直到水質清淨。上述從頭到尾的程序,一旦商業量產,成本即可降低。如果在無菌環境中製造,還能冷藏儲存數月。[1]

注入液體

再來,就要幫捲心酥灌多元口味的內餡了。科學家購買了,已經去除凝血功能的研究級脫纖血(defibrinated blood)。[1, 5]依照要進行的實驗,將這些血液或是其他液體,裝進針筒。接著,用注射泵浦(syringe pump)和管路,將針筒裡的內容物以 100 μL/min的速率,推進水凝膠裡。此實驗過程中,一支針筒透過管路,最多連接 6 份水凝膠。[1]

蚊子實驗

美國科學家將多塊水凝膠,分別放置於幾個玻璃罩內。每個罩子裡,引進 20 至 30 隻母蚊子,當作主要的觀察對象。[1]由於母蚊子吸血是為了產卵,所以裏頭還加上幾隻公蚊子作陪,來促進其食慾。[1, 6]攝影機全程對準水凝膠,記錄蚊子的活動,時間總長約 30 至 45 分鐘。[1]基於個別實驗的目的,方法設計上稍有差別:

  1. 餵食觀察:使用充滿血液的水凝膠餵食蚊子,調整溫度與設備,替換蚊子的品種,並優化攝影機的紀錄。簡單講,就是做不同的嘗試,為後面的實驗打好基礎。[1]
  2. 食物選擇:為蚊子奉上動物血液、紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水,三種「口味」的水凝膠,並貼心熱菜到37°C。後二者沒什麼營養價值,單純想看牠們好不好騙。[1]
  3. 防蚊成份:3個玻璃罩裡,血液飽滿的水凝膠,都溫熱至37°C,但分別為沒塗料、塗抹DEET,以及敷上一層檸檬尤加利油(lemon-eucalyptus oil)萃取物。測試蚊子會不會因為外層的化合物,放棄吸食水凝膠裡的血液。實驗重複5次,受試的蚊子也每次更換。[1]
A. 充滿血液的水凝膠;B. 配有攝影機的玻璃罩;C. 建立辨識蚊子的運算模型;D. 不同的蚊子品種、液體和防蚊成份。圖/參考資料1,Figure 1(CC BY 4.0)

結果與展望

餵食觀察的錄像,歷經截圖、挑選、標註和校正等程序,成果被拿來訓練電腦找蚊子。於嘗試及調整後,此運算模型不僅能辨識影片中的蚊子,還會分別「未進食」與「進食中或吸飽血」的腹部形狀,平均準確率高達 92.5%。這個模型,馬上被運用在後面的實驗裡。[1]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在選擇食物時,紅墨水和磷酸鹽緩衝生理食鹽水,顯然騙不過受試的蚊子;牠們唯獨吸食有動物血液的水凝膠。未來研發蛋白質營養液時,也可以用雷同的方式,評估蚊子的接受程度。為了引誘牠們,以後也能加碼在水凝膠上,塗抹真實皮膚會有的化學物質,並且在附近散佈二氧化碳。若是成功了,成品就能在其他病媒蚊實驗中,替代動物血液。如此便減少血液傳播疾病的風險,[1]以及使用動物血液的倫理問題。

另一個實驗的 DEET 和檸檬尤加利油萃取物,一如預期地令蚊子完全不想靠近。倒是沒塗料的對照組,卻意外只有 13.8% 的低餵食率。科學家覺得應該歸咎於水凝膠太小,有些蚊子擠不進去。將來製作時,得加大表面積。[1]

A. 截圖、標註、校正、訓練運算模型,並評估成果;B. 未進食(正紅色)與吸血(桃紅色)。圖/改作自參考資料1,Figure 2局部(CC BY 4.0)

整體而言,論文的第一作者 Kevin Janson 博士,很滿意這個自動分析功能,迅速又穩定的運算模型。在研究驅蚊效果方面,身為論文作者之一的 Omid Veiseh 教授,則認為他們的設計,未來也可以用於測試其他化合物。至於病媒蚊的品種,此實驗主要採用的,是會傳播黃熱病(yellow fever)、登革熱(dengue fever)和茲卡熱(Zika fever)的埃及斑蚊(Aedes aegypti)。另一位作者 Dawn Wesson 教授表示,假使想套用此模型跟設備,在習性迥異的野生品種上,就得再花時間研究。[7]

  

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

參考資料

  1. Janson KD, Carter BH, Jameson SB, et al. (2023) ‘Development of an automated biomaterial platform to study mosquito feeding behavior’. Frontiers Bioengineering and Biotechnology, 11:1103748.
  2. 教學方案」天主教台北總教區教理推廣中心(Accessed on 23 FEB 2023)
  3. American Chemical Society. (20 JUN 2020) ‘N,N-Diethyl-m-toluamide (DEET)’. Chemistry for Life.
  4. A Dowon, Stevens LM, Zhou K, et al. (2020) ‘Rapid High-Resolution Visible Light 3D Printing’. ACS Central Science, 6 (9), 1555-1563.
  5. Technical Support – FAQs’. Thermo Fisher Scientific. (Accessed on 23 FEB 2023)
  6. Harrison RE, Brown MR, Strand MR. (2021) ‘Whole blood and blood components from vertebrates differentially affect egg formation in three species of anautogenous mosquitoes’. Parasites Vectors 14, 119.
  7. Gillham AB. (09 FEB 2023) ‘Human test subjects may no longer be needed for mosquito bite trials thanks to invention of new biomaterial’. Frontiers Science Communications.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。