仿生巨骨舌魚的新型硬鱗魚皮

 
2017/04/20 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     297
 

由以色列與美國科學家共同研發的仿生巨骨舌魚(Arapaima gigas)硬鱗魚皮,由硬的剛性不透明白色材料丙烯酸光聚合物(acrylic-based photo-polymer)VeroWhite(簡稱VW)、和類橡膠材料的軟彈性體TangoPlus(簡稱TP)組合成堅韌且硬度高的新型材料。未來可根據個人需求或身體不同部位,例如使手肘和膝蓋位置更有彈性,或加強上半身的防穿透性能,客製化不同強度和彈性等級的局部保護和彈性性能服裝。可研發用於軍方的超輕柔仿生防彈和防刺之野戰軍服,無須重型防彈插板就能有效阻擋子彈、彈片、尖刀的攻擊,且不影響行動;或用於製作新型太空衣,保護太空人避免被隕石、空間碎片、和輻射等傷害。

 

與鋸脂鯉亞科(Serrasalminae)的食人魚一樣廣泛分布於南美洲的亞馬遜河,被稱為活化石的巨骨舌魚,最早出現於一億年前,成魚體長可達3公尺,重達200公斤,是世界上大型淡水魚之一,因體型巨大,多採伏擊方式,張開巨口瞬間吸入獵物,或是甩動魚尾擊倒或擊碎獵物骨骼,又名巨滑舌魚、海象、象魚、大頭巨骨舌魚,俗稱巨龍、腰帶魚,屬於條鰭魚綱(Actinopterygii)巨骨舌魚目(Osteoglossiformes)巨骨舌魚科(Osteoglossidae)。魚體由類似天然盔甲般的硬鱗包覆保護柔軟的魚皮和軟組織,仍能靈活地自由彎折和游動,最外層的堅硬魚鱗彼此重疊排列互鎖成波紋結構,可彎曲和扭曲,並分散每片魚鱗被食人魚咬合時的壓力,以減輕損傷,導致即使咬斷微小利齒仍吃不到魚肉的食人魚只好撤退,因此幾乎不會成為獵物。

 

這項發明由以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)魯迪克(Stephan Rudykh)助理教授,在美國麻省理工學院從事博士後研究時,與該校奧蒂茲(Christine Ortiz)教授、哥倫比亞大學博伊斯(Mary C. Boyce)教授組成研究團隊,於2015年2月在《軟物質》(Soft Matter)期刊發表。研究團隊採用多材料3D列印機Objet Connex500列印上部VW魚鱗層與底部TP魚皮層兩種感光聚合物材料,高度各為5公釐,兩者構成總高度x長度x面外深度為10x150x20公釐的試樣。VW材料列印成白色仿生魚鱗,剛性板厚度0.5公釐,楊氏模量(Young’s modulus,彈性材料承受正向應力時會產生正向應變,在形變量未超過對應材料的彈性限度時,正向應力與正向應變的比值)為1.2吉帕(Gpa,Gpa=109Pa=109N/m2,壓強單位,等於每平方公尺109牛頓);TP材料列印成透明軟基質的仿生魚皮,楊氏模量為0.78 兆帕(Mpa,Mpa=106Pa=106N/m2)。另外為測試複合材料試樣的機械性能,列印組裝成不同變因試樣作為對照組,包括相對於TP層傾斜角為10、20、30、45度,及容積百分率為0.1、0.2、0.3、0.4的VW魚鱗層剛性材料。還有容積百分率為1.0的全硬雙層VW魚鱗、和容積百分率為0.0的同質全軟雙層TP魚皮樣本。

 

他們用壓痕測試結果計算穿透剛度,結果顯示壓痕力隨VW容積百分率增加而增加,在固定壓痕深度時依VW魚鱗層傾斜角度增加而減少;也因複合材料的不同響應由TP層變形機制控制,VW魚鱗層的低傾斜角度和高容積百分率可提供最大穿透阻力,穿透剛度隨壓痕深度增加而增加,同時降低彈性。以三點彎曲試驗結果估算彈性時,顯示複合材料的彈性隨VW容積百分率的增加、和VW魚鱗層傾斜角的減少而降低;在較小的傾斜角度時,容積百分率增加會導致相對彎曲剛度顯著增加。

 

由於試樣的彎曲行為幾乎為線性,剛度不會因出現變形顯著變化,但隨VW容積百分率增加、會加強彎曲行為,研究團隊認為VW容積百分率約0.3,對大部分VW魚鱗層的傾斜角度而言,能表現最佳抗穿透性和彈性;並且已製出仿生魚皮彈性僅降低5倍,而整體強度(抗穿透力)提高40倍的仿生硬鱗魚皮。他們還藉由調整VW魚鱗的容積百分率和傾斜角度等參數,改變仿生魚鱗和魚皮的結構、變形及特性條件,例如更動VW魚鱗旋轉、彎曲、和TP魚皮間剪切的機制等,就可組裝成高彈性、強化保護、和靈活性的複合材料。未來將繼續強化魚鱗本身的微奈米結構,或採用較堅硬的材料如超強纖維凱芙拉(kevlar®)製造魚鱗,以達到更強的保護效果。

 

(以上新聞編譯自2015年2月20日發行之Soft Matter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:
     
    • Rudykh, S., C. Ortiz, and M. C. Boyce. 2015. Flexibility and protection by design: imbricated hybrid microstructures of bio-inspired armor. Soft Matter, 11(13): 2547-2554.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • American Technion Society. 2015. Tough, fish scale-like material with soft flexibility could protect soldiers, astronauts. ScienceDaily, March 12, 2015.
    • Gray, R. 2015. The body armour inspired by FISH: scaly material could lead to uniforms that can withstand bullets and knives. Daily Mail Online / Science, April 7, 2015.
    • Howard, B. C. 2013. (Newly re-described) Arapaima: freshwater species of the week. National Geographic / Voices, April 20, 2013.
     
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