美國科學家研究西印度石鼈（Acanthopleura granulata）的貝殼成分、結構、和功能，尤其是眼睛的光學系統，得知眼睛與貝殼均由生物礦化（biomineralization）的碳酸鈣（CaCO₃）構成，因眼睛所含晶粒較大且以特定方式排列，不僅堅硬，還可監測周圍環境，看清楚超過2公尺距離的20公分魚或鳥等天敵，以硬殼和緊密吸貼岩石方式抵抗。研究團隊根據此結果測試及模擬其視覺解析度、辨識影像、和機械性能，並創建模型，未來將依據西印度石鼈貝殼表面三種構造模型，開發新型仿生智能可視保護硬膜，這是一種感光清晰和具強韌保護功能的新材料，有不怕水、不怕撞、不怕摔特性，可根據晶形結構、晶粒尺寸、排列規則性和方向性變化改變為眼睛或鎧甲功能，除能製造眼鏡、眼罩、手機、或安全帽等需要視野清楚的商業產品外，還可研發防彈頭盔、護盾、防爆盾牌、或坦克車外殼等軍事用途，未來甚至能用於機器人皮膚中多視覺感應成像。這項研究成果由美國麻省理工學院（MIT）奧蒂茲（Christine Ortiz）教授領導跨領域研究團隊，成員包括哈佛大學（Harvard University）、卡夫利生物奈米科學與技術研究所（Kavli Institute for Bionano Science and Technology）、南卡羅萊納大學（University of South Carolina）、及美國能源部阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）於2015年11月在《科學》（Science）期刊發表。

西印度石鼈是夜行性原始貝類，身體扁平呈卵圓形，屬於軟體動物門（Mollusca）多板綱（Polyplacophora）新石鼈目（Neoloricata）石鼈科（Chitonidae），分布於佛羅里達州南部至墨西哥，往南到巴拿馬和西印度群島，棲息於潮間帶岩石或珊瑚礁的石縫或凹洞中，取食藻類等植物。貝殼僅生長於身體背面，由八片覆瓦狀排列的岩石般堅硬殼板組成，殼長約3-7公分，殼周圍有一圈稱為環帶的外套膜，身體腹面幾乎被用來爬行或吸附在岩石上的寬扁肉足佔滿；由於頭部和身體完全被殼板覆蓋，眼睛長在殼板邊緣，形成約一千個直徑小於0.1公釐的黑色斑點，較舊的眼睛接近殼板中心，這些眼睛難免遭到侵蝕或損傷，可隨貝殼生長而不斷更新，維持一千隻功能正常的眼睛同時運行，可提高對天敵或障礙的靈敏度、信噪比（指正常訊號與雜訊的比值，比值愈高效果愈佳）、及將假警報與真實威脅區分的能力。

研究團隊觀察西印度石鼈的貝殼是透過有機分子在奈米尺度下，精確控制體內無機礦物結晶的生物礦化形成，表面可區分為三種突起構造，均由碳酸鈣以文石（aragonite，又稱霰石）晶型結構組成。第一種分布最廣，直徑約200微米（μm=10^-6m）、高度約100微米的堅硬鎧甲突起，晶粒較小、排列不規則且方向不一致；另外兩種微突起位於鎧甲突起山峰間的平坦山谷內，其中第二種直徑約50微米的黑色突起，是被外徑86 ± 4微米含褐黑素（pheomelanin）暗區包圍的眼睛，可感光和辨識影像，表層為厚度5微米的角膜，然後是厚度38±2微米的水晶體，晶粒較大（平均粒徑約10微米）、排成一列且方向一致，能讓更多光線通過，並使光散射最小化以增加視覺解析度，更下方為非晶質（amorphous）層，分為有機質組成的L1層和含鈣L2層，最下面是深、寬為56±7Í76±5微米的梨形專用眼室，體積是巨微眼腔室的5倍；第三種是近似眼睛大小的有孔突起，為可吸收光線的巨微眼（megalaesthetes），內具寬度約40微米的圓柱形腔室，眼睛和巨微眼的視網膜由100個感光細胞組成，下接視神經管，兩者的腔室內都有鈣化物質環繞視網膜成C形口袋，並藉著稱為微微眼（micraesthetes）的大量微小感覺孔從腔室分支到殼表。

研究團隊以魚來模擬和測試西印度石鼈一隻眼睛的成像力和解像力，發現水晶體能聚焦圖像傳送給視網膜，投射出魚的可辨識影像，證明西印度石鼈可以看清楚20公分物體的最遠距離約為2公尺。再對貝殼施加1牛頓（N，使質量1公斤物體的加速度達每平方秒1公尺時所需的力量）的力進行奈米壓痕測試，結果鎧甲突起區僅造成相對較小的永久變形，表現較大的機械完整性，但眼睛區卻明顯斷裂，平均載荷僅0.84±0.11牛頓；巨微眼區呈現微裂紋，表示一殼多用的構造仍會降低防禦強度，必須適度取得平衡。西印度石鼈經長期演化，已採用以較高大的鎧甲突起保護躲藏其中的眼睛和巨微眼、透過厚且堅硬的底層來彌補整個表層的機械弱點、大量的眼睛和巨微眼有助於減少殼體損傷等策略來補償。因此研究團隊創建電腦模型，將來使用碳酸鈣或其他種成分的相同材料，依需求改變晶形結構、晶粒尺寸、排列規則性和方向性變化即可改變使用功能，開發出如新型仿生智能可視保護硬膜等相關產品。

（以上新聞編譯自2015年11月20日發行之Science期刊）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

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