微型流量計仿生鯽魚側線系統

 
2017/06/29 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館     339
 

歐洲科學家研究鯽魚(Carassius auratus)等同水下聲納的側線系統(lateral line)感應機制,這種魚類特有的管狀感覺構造類似蝙蝠的聲納導航系統,具有避免碰撞、尋找獵物、兼具嗅覺、和定向輔助等功能,因而發明仿生微型流量計,可應用於流體計量核算、流程工業檢測和控制,例如偵測自來水系統和自動化控制大量流體、運用於水下聲納、人機互動與通訊、醫療保健和藥物注射的微流體系統等,且無論渾濁泥潭、低窪濕地、洪水淹沒的樓房或深海等環境,皆可探測環境的流體動態分布,協助民間或軍用勘測和救災。研究成果由德國波恩大學(University of Bonn)布萊克曼(Horst Bleckmann)博士與歐洲先進研究與研發中心(Center of Advanced European Studies and Research)合組的研究團隊於2015年8月發表在《微機械》(Micromachines)期刊。

 

鯽魚是歐亞地區常見的淡水魚,也是普遍養殖的食用魚,俗名鯽、土鯽、鯽瓜子、月鯽仔、細頭、鮒魚、寒鮒等,著名的觀賞魚金魚(Carassius auratus auratus)就是經人工育種產生的亞種。本種成魚體長約15-30公分,棲息於水草較多且水深超過20公尺的淺水域、溪流、或靜水域,主要取食藻類和小型底棲甲殼類,屬於條鰭魚綱(Actinopterygii)鯉形目(Cypriniformes)鯉科(Cyprinidae)。身體兩側鱗片上各有一條由許多側線孔形成的側線,從鰓蓋(operculum)延伸到尾鰭基部,也分布於頭部和尾鰭,側線孔下面連通成充滿黏液的側線管,管內具有神經細胞組成的機械感應器-神經丘(neuromasts),稱為管道神經丘(canal neuromasts),對水流加速度和局部壓力梯度差感應靈敏;分布於體表的神經丘則稱為表面神經丘(superficial neuromasts),對流速很敏感。

 

鯽魚有240-320個管道神經丘和3,600-4,000個表面神經丘,每側位於頭部489±13個、魚體876±42個、尾鰭426±39個,平均1,928±85個。魚體每片鱗片上含0-13個、每個尺寸12-20×20-30微米(μm=10-6m)的橢圓形或紡錘狀表面神經丘,神經丘中央是大小為4-10×10-18微米、圓形或橢圓形的感覺上皮細胞,每個感覺上皮細胞含14-32個、平均19.8±5.1個毛細胞。一個毛細胞攜帶約20根頂纖毛(stereocilia)和一根長3-5微米動纖毛(Kinocilium),形成凝膠狀結構的纖毛束(ciliary bundles),構成長約40-45微米的壺腹帽(cupula)。當外界水流經鯽魚側線孔滲入,改變側線管內黏液的壓力,造成壓力梯度,使壺腹帽中纖毛束彎曲偏轉,導致毛細胞產生電響應,刺激神經丘釋放或傳遞訊息至腦部,鯽魚就能感知水壓大小、水流方向、水流速度、水中物體大小及位置等變化。

 

研究團隊模仿鯽魚側線的管道神經丘構造,採用微機電系統厚膜和薄膜技術,將聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)蝕刻製造,組裝在玻璃基板上形成矽晶片及PDMS光導感應薄片,加裝調節光強度的LED燈、檢測光強度變化的光學檢測器、和可輸出信號的電子電路板,再以鋁外殼封包,製成仿生微型流量計,可從水流波動的時空傳遞(spatio-temporal propagation)測量整體流速。

 

試驗以自來水系統偵測流量,結果準確檢測每小時500-4,000公升(L/h)流量,可承受高達6巴(bar=105Pa=100kN/m2=1.0197Kg/cm2,6巴相當於每平方公分有6.12公斤)水壓。研究團隊分析測試數據創建數學模型,當改變流量計的合成管道結構為尖頂(diminutions)或隔片狀(septa)時,管道形狀和增加PDMS薄片距離皆會減少機械串擾(cross-talk,指信號間的互相干擾),增加仿生流量計的靈敏度;若改變管道的寬度和孔徑,結果得知當管道寬度與孔徑均為3公釐時最敏感。若以厚度10-200微米的PDMS膜密封管道孔,將流量計與流體分離,並用礦物油填充管道結構時,流量計仍能感測流體波動,薄膜的影響較小,但厚膜會減小流量計輸出信號的幅度,一旦PDMS膜厚度超過100微米,即不適合檢測流體波動。而填充流體的密度、黏度和折射率差異,與封膜的材質及厚度等,都會影響流量計的靈敏度。

 

研究團隊提出將仿生微型流量計的PDMS薄片的偏轉量改成微米級,就可適用於醫療微流體應用領域,例如血液和尿液等體液、或藥劑等微流體的分流檢測,防止污染測量系統。並可視不同用途調整光導PDMS薄片形狀、尺寸、厚度、光學檢測器、和感應器電子輸出設備,提升靈敏度和頻率響應動態範圍,擴增應用層面。

(以上新聞編譯自2015年8月24日發行之Micromachines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

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:Herzog, H., S. Steltenkamp, A. Klein, S. Tätzner, E. Schulze, and H. Bleckmann. 2015. Micro-machined flow sensors mimicking lateral line canal neuromasts. Micromachines, 6(8): 1189-1212.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Anke Schmitz, Horst Bleckmann, and Joachim Mogdans. 2008. Organization of the superficial neuromast system in goldfish, Carassius auratus. Journal of Morphology, 269(6): 751–761.
    • AskNature Team. 2015. Lateral line system acts as sonar. Asknature, November 29, 2015.
     
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