智能可視保護硬膜仿生石鼈眼睛

 
2017/07/12 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     236
 

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

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Li, L., M. J. Connors, M. Kolle, G. T. England, D. I. Speciser, X. Xiao, J. Aizenberg, and C. Ortiz. 2015. Multifunctionality of chiton biomineralized armor with an integrated visual system. Science, 350(6263): 952-956 (+ 27 pp. Supplementary Materials).
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Chandler. D. L. 2015. Armor plating with built-in transparent ceramic eyes: tiny sea creatures feature transparent optical systems as tough as their shells. MIT News, November 19, 2015.
    • de Lazaro, E. 2015. Chitons see with ceramic eyes, new research show. Sci-News / Biology, November 23, 2015.
    • Pennisi, E. 2015. Crystalline eyes of chitons inspire materials scientists: mollusk makes hundreds of eyes from shell mineral. Science, 350(6263): 899.
     
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