超乎想像的織物！當紡織與電子科技融合：智慧儲能與發光系統

一提到蜘蛛，許多人腦海中浮現的畫面，或許是在學校裡不起眼的角落，搭在陰暗牆角的蛛網。在許多影視作品裡，蜘蛛網總給人一種陰森、詭譎的氛圍。然而，讓人不可否認的是，蜘蛛網的結構是如此複雜且精美。

關於蜘蛛結網，在古希臘有一則傳說。大家所熟知的女神雅典娜，曾向遠古人類傳授紡織技藝，被稱為「紡織女神」；而當時有一位染匠的女兒名為阿剌克涅（Arachne），十分擅長紡織，沒有人能比得上她，也因此她也十分驕傲得意，某次她向雅典娜提出挑戰，希望能一決高下。後來，雙方的作品都十分精美、技藝精湛。然而，阿剌克涅所織出的掛毯內容卻是褻瀆、嘲笑宙斯與他的眾多妻子的，雅典娜一氣之下將阿剌克涅變成了一隻蜘蛛，永遠用她自己的身體織網，而現在我們所見的蜘蛛被認為是阿剌克涅的後代。

雖然蜘蛛網幾乎隨處可見，然而背後的秘密就和它的外觀一樣錯綜複雜，吸引著人們去揭開它的神秘面紗。令許多科學家好奇的是，體型及大腦都比人類小這麼多的蜘蛛，到底是如何織出這些精密又優雅的幾何結構的？如此複雜又連續的行為是如何調控及建構的呢？

其實一直以來都有許多探討影響蜘蛛結網因子的研究，例如有科學家將蜘蛛放到外太空，觀察在無重力環境下，蜘蛛結的網有何不同，通常在有重力的情況下，會結出不對稱的網，然而在無重力下便是對稱的。此外，大多靠觸覺織網的蜘蛛，於無重力環境下的織網行為，卻仍受光線影響。由這些結果可以得知，不同環境因素對結網行為的影響^[4]。

但若想要了解行為背後的機制，必須先區分出不同階段的行為模式。先前有些研究試圖分析，但因研究者無法在蜘蛛結網期間進行全天候的觀察，因此許多行為模式的細節仍未被發現。後來也逐漸發展出其他方法去觀察蜘蛛，例如在實驗室裡創造可控的環境，利用攝影機記錄行為^[1]。

幫蜘蛛結網的「每一步」做紀錄！

今年十一月，一項刊登在當代生物學《Current Biology》的研究^[2]，利用紅外線夜視攝影機，在夜晚觀察蜘蛛，並用軟體追蹤牠們快速的腿部動作，將結網行為分成不同階段。

蜘蛛網的種類眾多，但這項研究觀察的是圓網（orb web），原因是在織網的過程中，比較容易透過追蹤蜘蛛軌跡和網的幾何形狀，來定義不同的階段。因此他們選擇織圓網的金蛛科（Uloboridae）裡的 Uloborus diversus 作為研究物種。這是一種原產於美國西部的蜘蛛，他們的體型很小，小到能夠放在指尖上；由於大多數織圓網的其他類群只在春、夏活動，而這個物種是全年都有，符合長期活動以及耐受性好等實驗所需條件。

雖然這種蜘蛛可以在任何形狀的空間裡結網，但他們更偏好在完全黑暗的環境建造水平圓網。因此，研究團隊設計了一個「舞台」，並設置紅外線攝影機及紅外燈。透過這個裝置，每天晚上監視並追蹤蜘蛛織網的過程，被追蹤的六個個體皆為成年雌性。（只使用雌蛛的原因是，雄性很少結圓網）。

在這個實驗中，研究人員利用動態捕捉軟體，追蹤蜘蛛每條腿的基部、股骨、脛骨，以及前胸的最前和最後，共二十六個點，來分析數百萬件的腿部動作，藉由追蹤腿部運動能夠區分出每個階段的典型及非典型行為，將織網的不同階段作更細部的分析。

蜘蛛網的秘密：動態分析「織網五階段」

織圓網的過程可被區分為五個階段：首先，蜘蛛會花時間探索一下所在空間，同時築出一個雜亂無章的網，稱為「原形網」（proto-web），通常沒有明顯的規律。這個階段蜘蛛會評估周遭環境，並為最終要織的網定位。在探索結束後，蜘蛛會有一個長時間的停頓。

接著，便要開始向外建造網的半徑（radii）。牠會先移除大部分的原型網，並調整一些原型網的線條作為半徑，同時建構框架（frame）。在第三階段之前，蜘蛛會短暫停歇，接著開始向外盤旋，織造螺旋狀的「輔助螺旋」（auxiliary spiral）補強網面的整體結構。這個階段只會持續幾分鐘，因為輔助螺旋是暫時的結構，它是為穩定下個階段的施工而建，也就是「捕獲螺旋」（capture spiral）。當蜘蛛從外圍向內建造捕獲螺旋時，會同時移除輔助螺旋，這是第四個階段。

最後，在某些情況下，蜘蛛會再加上一個稱為「隱帶」（stabilimentum）的構造。有趣的是，這個構造並非所有蜘蛛都有，它的功能也仍未知。目前已有許多假設^[3]被提出，例如可以幫助蜘蛛隱匿、避免其他生物（例如鳥類）撞上蛛網，或讓蜘蛛在其他捕食者的眼中看起來更大，也有假說認為此構造可以吸引獵物。

蜘蛛腦如何進行複雜的結網工程？仍待解答

在分析出蜘蛛結網的五階段後，研究人員發現，蜘蛛結網的行為非常相似，以至於研究人員能夠僅通過觀察蜘蛛腿部的位置，來預測蜘蛛正在為蜘蛛網的哪個部分施工。

研究人員指出，即使蜘蛛網最終的結構略有不同，但蜘蛛結網的步驟及規則卻是相同的，這證實了結網的規則是在蜘蛛的大腦中編碼的。因此未來研究團隊想進一步了解的是，這一連串動作背後的神經系統是如何運作的，在後續的研究中，能夠找出蜘蛛調控結網的大腦迴路，一步步揭開美麗蜘蛛網背後的秘密。

參考資料

1. Benjamin, S. P., & Zschokke, S. (2000). A computerized method to observe spider web-building behavior in a semi-natural light environment. European arachnology, 117-122.
2. Corver, A., Wilkerson, N., Miller, J., & Gordus, A. G. (2021). Distinct movement patterns generate stages of spider web-building. bioRxiv.
3. Mena, P. The Function of Stabilimenta in Spider Webs. The Writing Anthology, 36.
4. Spiders in space—orb-web-related behaviour in zero gravity

上一篇提到巴貝奇放棄差分機，轉而投入分析機的設計，意欲打造什麼都能算的通用型計算機。分析機必須採用全新架構，巴貝奇受困許久，沒想到最後讓他突破盲點的靈感，竟是來自於看似毫無關聯的織布機……。

本文為系列文章，上一篇請見：兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機？巴貝奇與差分機│《電腦簡史》 齒輪時代（十八）

紡織業落後英國，沃康松臨危受命

還記得發明「便便機器鴨」的沃康松嗎？他結束吹笛人、鼓手與機器鴨等機械玩偶的展演後，本來要更進一步，打造具有肌肉運動、呼吸、血液循環的機械生物，不料突然於 1741 年接到一項官方任務，而不得不擱置這個計畫。（前情提要：如果上帝就像鐘錶匠，當然我們也能？│《電腦簡史》 齒輪時代（十二））

原來法國政府發現英國紡織業這幾年突發猛進，背後的助力就是英國發明家約翰．凱 （John Kay） 於 1733 年發明的飛梭。以往織布機至少要有兩人操作：一個工人提起縱向的經紗，然後將梭子推向另一端，帶著橫向的緯紗穿過經紗，然後另一端的工人待另一組經紗又提起後，再將梭子推回來，如此不斷往返。

有了飛梭之後，一部織布機只需要一個工人操作，而且速度快上好幾倍，還能織出更寬更大的布。因此英國的紡織業無論是成本、產量或樣式，都遙遙領先其它各國，一躍為歐洲的領頭羊。法國政府不甘落後，於是找上沃康松，冀望他運用設計自動機器的長才，也能改善法國的織布機，好迎頭趕上英國。

前人已曾改善織布機，靈感來自滾筒風琴

其實早在沃康松之前，法國就曾有兩位紡織工人試圖改造織布機，時間比約翰．凱發明飛梭還早；不過他們針對的是提花布的編織。織布機織的布有兩種，一種是沒有圖案的素面布，另一種是有圖案的提花布。製造素面布比較簡單，每次提起的經紗相當固定，例如這次是奇數線，下次則是偶數線，如此不斷輪流。但提花布就相當麻煩，每次要提起的經紗組合都不一樣，非常耗時費工。紡織工人布雄 （Basile Bouchon） 想改善的，便是製造緹花布的方法。

其實布雄找到的解決方案已經存在很久了，只不過它一直隱藏在與紡織業毫無關聯的一樣東西──滾筒風琴 （barrel organ） 。

滾筒風琴通常用於街頭表演，只要轉動搖柄，就會自動奏出樂曲。事實上，滾筒風琴的原理與音樂盒類似，旋律變化都是取決於圓筒表面參差不齊的突起。差別在於音樂盒是直接撥動鋼製簧片發出聲音，滾筒風琴則是間接造成不同音管阻塞，由風箱產生氣流通過音管而發出聲音。就這點而言，滾筒風琴反而更接近穆薩三兄弟於 850 年設計的吹笛手。

布雄的父親原本就是製作滾筒風琴的工匠，布雄從小耳濡目染，對滾筒風琴的構造瞭若指掌。因此當他踏入紡織業後，觀察到織布機的經紗起起落落，編織出規律的幾何圖案，便聯想到這其實與滾筒風琴有異曲同工之妙。規律的圖案相當於不斷重覆的樂曲，經紗相當於音管；既然可以藉由轉動圓筒而奏出樂曲，那麼同樣的原理應該也能用於織布機，控制經紗起落而織出圖案。

用紙卷控制經線，織出不同的圖樣

布雄很清楚滾筒風琴的圓筒如何製作：先按照樂譜上的音符在紙上畫好記號，接著將紙裹住圓筒表面，然後在記號處──釘上鐵釘，再取下紙張即大功告成。不過布雄並沒有依樣畫葫蘆，打造另一個用於織布機的圓筒。這是他的另一個洞見：打了孔的紙已經包含如何控制音管的資訊，做成圓筒只是沿襲自音樂盒的作法，並非絕對必要。也許織布機無需圓筒，用打孔的紙張就能控制經線起落？

1725 年，布雄公開展示他的發明：在現有織布機上外加一個編織控制裝置。這個裝置有條寬寬長長、打了許多洞的紙帶，首尾相連成環，再用兩根圓筒狀的軸桿上下撐開，就像輸送帶或跑步機那樣，只不過紙帶是直立的，而且要靠手拉動。

以往要靠人工挑選要提起的經紗，現在只要把上方軸桿推向前去頂整排勾針。由於軸桿表面是鏤空的，所以哪些勾針會被頂到而移動，取決於對應到紙帶的位置是否有洞。沒有洞，紙帶才會推動勾針提起經紗；如果有洞，勾針就會穿過洞而文風不動。等梭子穿過經紗後，再將紙帶拉下一點，再次推軸桿去頂勾針，如此不斷地拉紙帶、推軸桿。由於洞的分布位置都不相同，所以每次會提起不同的經紗，而織出特定圖案。

這是史上第一台半自動織布機，也堪稱第一台可編程的工業機器，因為只要更換不同紙帶，就能織出不同圖樣。可惜布雄的劃時代發明並未獲得青睞，因為它仍有許多缺陷，例如紙張很容易破裂，用沒多久就要整卷更換；紙的強度不足也限制了紙帶寬度，只能織出窄福的提花布；此外，紙帶長度受限於織布機的高度，圖案很快就又重覆，太過單調呆板。

紙卷太短又容易破，何不改用串接的卡片？

三年後，布雄的助理法爾肯 （Jean-Baptiste Falcon） 克服了這幾個缺陷。他把上方的軸桿改成方形，並且改用一片一片串起來的厚紙板取代紙帶，如此一來，就不需要下方軸桿，卡片串接的長度便不受限制，可以織出更複雜的圖案。厚紙板也可以做成更寬，就能織出更寬的提花布。此外，厚紙板較不易破損，就算破損，也只需要更換壞掉的卡片，不用像紙帶那樣要整卷換新。

不過即使解決了這幾個問題，紡織廠仍然不願意花錢改裝織布機，因為方形軸桿仍得靠人工轉動，還要對齊打洞的位置，織布速度沒快多少，也未減少人力，投資效益並不高。法國紡織業的自動化腳步就此打住，直到十多年後，沃康松奉命提升法國織布技術，布雄與法爾肯的發明才又被挖出來。

沃康松以布雄的設計為基礎，但將紙帶改為裹住一個金屬大圓筒，運用自動機器的原理做出連動機制，讓圓筒轉動與推壓勾針的動作一氣呵成，持續不斷地自動織出圖案。沃康松果真不負法國政府所托，於 1745 年展示史上第一架全自動織布機。不過紡織工人可不高興，他們深恐因此失業，群起抗議；有些工人怪罪到沃康松頭上，還朝他丟石頭。織布機自動化的計畫再次受挫，沃康松也不如歸去，重拾他的擬人機器人計畫。

其實紡織工人無須太過驚慌，因為沃康松改良布雄的設計後，雖然可以減少人力、提高效率，但所織的布仍然無法太寬、圖案不能太複雜，所以還是沒有幾家工廠願意購置。為什麼沃康松要延用紙帶，而不是選擇法爾肯所設計的卡片？這的確令人費解。打孔卡片直到半個世紀後，才被另一位法國發明家雅卡爾 （Joseph Marie Jacquard） 重新發掘，他成功地結合前人的設計，打造出可編程的全自動織布機。

雅卡爾統合成功建織布機，巴貝奇承襲設計造分析機

雅卡爾於 1752 年出生於法國的紡織重鎮里昂 （Lyon） ，這裡正是當初布雄與法爾肯工作的地方。雅卡爾的父親也是紡織工匠，有自己的工坊；雅卡爾從小就要幫忙打雜，直到十三歲才在姊夫的指導下識字念書。二十歲時父親過世，雅卡爾繼承了紡織工坊，然而才十年時間，他就敗光家產，只能離鄉背井四處打工謀生，直到 1789 年才回到家鄉，重返熟悉的紡織業。

歷經法國大革命的十年動盪後，雅卡爾自 1800 年開始，陸續發表各種自動化的紡織設備，包括用腳踩踏的織布機、魚網編織機。1803 年，拿破崙特地召見雅卡爾，讓他住進巴黎的工藝學院，任意使用裡面的設施，進一步研究如何改善織布機。雅卡爾仔細研究工藝學院收藏的布雄、法爾肯、沃康松等人的設計，最後他決定將沃康松所用的大圓筒與紙帶換成打孔的卡片，利用棘輪控制卡片轉動，果然成功打造出真正實用的全自動織布機。

雅卡爾織布機 （Jacquard loom） 其實是個控制裝置，可以加裝在現有的織布機上。原本兩個工人一天才能合力織出 3 公分的提花布，改裝後只需要一個工人，一天就能織到 60 公分長，而且布寬與圖案都不受限制。雅卡爾織布機自 1805 年發表，到 1811 年專利期滿為止，共出貨了一萬一千台，大幅提升法國紡織業的競爭力。

雅卡爾不僅改變了紡織業，也間接促進了計算機的進展。打孔卡片的可編程功能在他手中發揚光大，遠在英國的巴貝奇正是受此啟發，才能設計出史上第一台通用計算機。

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

穿戴式裝置正火紅，除了智慧手錶、智慧手環等常見的穿戴裝置，你知道還有智慧衣嗎？相較於智慧手錶或手環，智慧衣能更貼近、更大範圍的覆蓋人體，在生理檢測上，能比手環類產品來的準確。但若要能夠檢測，智慧衣就得通電，目前市面上的智慧衣仍需要額外的供電裝置（像是固體電池等）來供給電力，不但累贅，也降低了穿戴舒適性。

超級電容器供電於無形之中

美國卓克所大學（Drexel University）近期和美國海軍學院合作了一項研究計畫，他們找出一種方式，能夠讓活性碳顆粒嵌入不同類型的毛線中，藉此可儲存能量，進而觸發感測器及電子整合裝置，並將這類針織品改良而成智慧衣。

這些由不同類型感測元件製成的「智慧布料」，其實已經發展十年之久。但以往這些產品往往都只是實驗室裡的展示品，近幾年才開始進入消費者市場，像是能夠監控運動員生理狀況的智慧穿戴裝置，以及追蹤健康與身心狀況的產品。根據 Gartner 在 2014 年底的報告指出，智慧服裝的市場將會從 2014 年的十萬件，成長到 2016 年的兩千六百萬之譜。

直至目前為止，市面上多數產品皆會利用額外的處理裝置來做資料擷取，並和智慧手機、平板等行動裝置連結。這些處理裝置的模組雖然不大，但仍必須使用傳統電池供給電力，從美學或是功能的角度來看，這樣的設計其實都不盡理想。

因此，創造一個高彈性，且能整合到針織品的能量儲存器一直是相關研究人員的目標。終於在去年，來自中國與美國的研究團隊有了一些成果，他們分別展示了由石墨與碳奈米管製成，且能編織進服飾的纖維狀超級電容器。當時的報導指出，這些以碳為基礎的微型超級電容器，每個纖維擁有最高的體積能量密度（每小時 6.3 微瓦/每立方毫米，相當於一個 4 伏特，每小時 500 微安培的電池）。但是這些產品雖然看似強大，其造價卻相當昂貴，而且碳奈米管可能含有毒性的疑慮尚未被排除，再再都降低了此產品的商業價值。

關鍵因子：活性碳、天然纖維焊接與離子液體

為了能夠創造出不需外在裝置、成本低廉的能量儲存裝置，卓克斯大學的團隊開始採用價格便宜的活性碳。除了便宜外，活性碳安全無毒，甚至常常被用於減少有毒物質的吸收。根據卓克斯大學材料科學家 Yury Gogotsi 表示，只要使用約 3000 平方公分的面積（相當於襯衫背部中央區塊的大小），便能儲存相當於一個 4 平方公分大小的錢幣型電池的電力。

為了達到這樣的能量密度，該團隊採用一種叫做天然纖維焊接的技術（Natural Fiber Welding，NFW），這種技術是由美國海軍學院的化學教授 Paul C. Trulove 與空軍辦公室的科學研究部的 Hugh C. Delong 發明。NFW 可讓像是活性碳等材料，嵌入由棉、麻、竹子或人造絲製成的紗布、織品。

NFW 技術雖然複雜，但在卓克斯大學與海軍學院團隊的努力下，它們製造出一台專門用於NFW 的機器，能夠持續的生產出數十米的紗布。「真正需要成本的只有 NFW 過程中所需的離子液體」海軍學院總司令 David P. Durkin 說：「它們雖然昂貴，卻是非常優異的替代有機溶劑，因為它們不會揮發，甚至可以在水中重建，進而回收」，Durkin 認為，如果NFW技術被規模化，那麼離子液體的成本將會是一項關鍵因素。

電力供給效能尚待解決

在現有技術下，能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多，像智慧手機等行動產品可能都不敷使用，但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。卓克斯大學博士生 Kristy Jost 解釋道，現在市面上有越來越多的電子紡織品，但多數產品仍需藉由固體電池來提供電力，針對此點，她致力於儲能紡織品的研發，最終目標是希望生產出一種能量儲存裝置，能夠驅動相關電子產品，像是針織感測器、低功率的通信設備等。
相較智慧手錶、手環等較為 High-Tech 的產品，智慧衣則 High-Touch 多了，不但能夠真正「穿」在身上，也能提供更準確的生理數值。在娛樂價值上，模特兒與藝人也能穿著智慧衣，在表演時展現更多炫麗的特效，增加娛樂效果。只要能夠解決電力供應的缺點，相信在 2016 年達成兩千六百萬件的市場規模絕對不是問題。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧