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議題背景：

在今（2023）年3月1日，國際期刊《自然通訊》（Nature Communications）發表一份最新研究，「Droplet superpropulsion in an energetically constrained insect」。研究發現，葉蟬（leafhopper）會將尿液集中在尾部後，透過尾部的特殊構造：尾針（anal stylus）會將尿液像是打棒球一樣的揮擊出去。研究顯示，這個機制可以幫助葉蟬每天排掉相當於自身體重300倍的廢棄物，是一種非常節省能量消耗的作法。研究試圖去找出一隻比小拇指指尖還小的昆蟲，如何完成生物工程學與物理學壯舉的方法。

在2018年時，喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的助理教授薩阿德·巴姆拉（Saad Bhamla）在他家後院注意到一隻小到幾乎看不見的昆蟲正在小便，在牠的尾部會先出現一顆水滴，然後突然迅速的發射出去，他認為這種昆蟲一定是利用非常巧妙且創新的物理原理，達到有效率的排泄方式。巴姆拉認為，這項發現或許可以啟發以昆蟲為靈感的節能自動清潔結構（self-cleaning structures）和軟式機器人（soft robotic engines）的工程學設計，但要實際運用在生活、工程等領域中，仍有一段距離要走。

因此，巴姆拉就開始研究這些專門吸食植物汁液的葉蟬科（Cicadellidae）昆蟲，透過觀察褐透翅尖頭葉蟬（ 學名：Homalodisca vitripennis ，簡稱：GWSS ）、藍綠尖頭葉蟬（Graphocephala atropunctata，簡稱：BGSS ）與紅帶葉蟬（Graphocephala coccina，簡稱：RBSS）在吸食植物汁液後的排泄，會用尾部的尾針將集中的尿液以非常快的速度彈射出去，作者稱這個現象為「超級推動力」（superpropulsion）。

台灣科技媒體中心邀請曾於喬治亞理工學院胡立德（David Hu）教授研究指導下，榮獲第29屆搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel）的科學家楊佩良（Patricia Yang）助理教授，分享她對這篇研究的看法。

研究原文：

• Challita, E.J., Sehgal, P., Krugner, R. et al. Droplet superpropulsion in an energetically constrained insect. Nat Commun 14, 860 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36376-5

專家怎麼說？

2023年03月01日
國立清華大學動力機械工程學系助理教授 楊佩良

清華大學動力機械工程學系助理教授楊佩良（Patricia Yang）表示，葉蟬科（Cicadellidae）這類的昆蟲會一邊吸食植物汁液的同時，一邊將多餘的廢棄物和液體排出體外。但因牠們體型小，不太可能單靠用擠壓的方式就將尿液排出，所以才會出現這篇研究發現的有趣現象。

楊佩良說明，巴姆拉（Saad Bhamla）的研究發現，葉蟬的尾針（anal stylus）會產生一個特殊的頻率，而這頻率恰好與排出尿滴的「自然頻率」相同。楊佩良補充，這種尾針揮動的頻率剛好與形成水球的尿滴頻率相同，才能在非常省力且揮動速度不快的情況下，讓尿滴可以在超越尾針的揮動速度，高速被揮擊而出。

楊佩良提到，可以把尾部形成的尿滴，想像是一顆軟式棒球，尾針就像揮擊的球棒一樣，連壓帶打的將尿滴彈射出去，這個原理也很像我們用在剔牙的塑膠牙籤會一瞬間把卡在牙縫的殘渣剔出去，而這篇研究的重要發現就在於，此研究是首次在自然界的生物中，發現這種類似「揮棒打擊」的機制，把尿液集中成水滴後，當作棒球一樣打出去。

楊佩良表示，研究的應用在於未來可以作為發展小型清潔機器人儲能動力的參考，例如：小型的軟式智慧型機器人或作為儲能的裝置。

楊佩良補充，她早前於喬治亞理工學院胡立德教授（David L. Hu）的指導研究中即發現，小於一公斤的哺乳類動物（例如：實驗大白鼠）也會利用相同的方式形成尿滴，因為膀胱和體內的壓力不足以讓牠們像人類或其他大型動物一樣，像水柱一樣的排尿方式。楊佩良說明，而這篇研究也有引用她在之前研究建立模型的公式。楊佩良提到，只是這篇研究發現的昆蟲還外加一條尾針可以透過特別的頻率，將尿滴像棒球一樣的打擊出去。

楊佩良提到，美國國家科學基金會（NSF，類似台灣的國科會NSTC）相當重視仿生生物學的研究，美國有多間研究大學也組建跨領域的仿生生物學研究單位，喬治亞理工學院早在2012年即開始在仿生生物學與生物力學的跨領域交流、研究，而薩阿德·巴姆拉（Saad Bhamla）助理教授剛好是在她要離開喬治亞理工學院的同一年進來任教。

2023年03月02日
喬治亞理工學院機械工程與生物學教授（Professor of Mechanical Engineering and Biology, Georgia Tech） 胡立德（David L. Hu）

（以下專家意見譯自胡立德教授提供的英文內容，原文亦附於文末）

1. 這篇研究為什麼重要？此研究發現未來可能應用在哪些仿生研究或應用上？

這項研究讓我們了解到吸取植物汁液的昆蟲（sap-sucking insects）是如何釋放牠們的尿液。 研究這類的昆蟲很重要，因為牠們會將疾病傳播給植物，並且會影響農業經濟的發展與造成極大的損失。我曾經研究過哺乳動物的小便時間，去思考什麼樣的機制或結構，會讓大家排尿的時長都差不多。

我原先一直以為小便會呈現水柱狀是很常見的，但這項研究顯示，對這些非常小的昆蟲來說，尿成柱狀對牠們來說並不是一個好的選擇，因為這些昆蟲會浪費過多的能量去製造出水柱狀的小便，反而牠們可以用更省力的將尿滴彈走。

2. 這篇研究有哪些推論的研究限制嗎？

透過去除昆蟲尾針上的感覺毛（sensilla），研究也發現沒有感覺毛後，拋出的尿滴速度降低了很多，這是一個很令人驚訝且有趣的發現，讓人好奇這些昆蟲是如何透過感覺毛來計算尿滴滴落的速度？此研究透過模擬的裝置成功驗證，能讓水滴擁有超強的推進力（super-propulsive），但是像這麼小的構造卻能高速拋出尿滴，真的是很神奇。

如果可以精準仿造出一個如同昆蟲的彈射結構裝置來加以驗證，那會是很有趣的事，因為我很驚訝用這麼小的彈射結構可以如此容易的去推動尿滴。為了更強化他們驗證的結果，我會想看看此研究模擬裝置的小型版本。他們引用的研究文獻是使用一個相較起來非常大的表面，去模擬昆蟲的結構，但這些昆蟲卻是使用一個非常小且尖銳的結構（尾針）去推動尿滴。

3. 一般人該如何正確的理解這篇研究？

這項研究最根本的用意是在於，探討如何有效的操縱少量流體。這可以運用在微流體的設備（microfluidic devices）上，例如：血液檢測或唾液檢測的設備。這些昆蟲在生活中無所不在，牠們高速拋射這些尿滴看似很奇怪，但這個動作其實對他們是有益的，因為這樣可以幫助牠們節省精力。

這是一個很好的例子，可以說明對日常事物保持好奇心，會產生一個非常有趣且有意義的結果。在美國研究這類的研究題目可能會被誤解，有些人可能會覺得研究昆蟲撒尿是一種浪費時間，像是之前就有美國參議員批評這些研究主題的科學家。但是否真的浪費時間，要看他們的結果是否有趣，我就對這個研究項目的結果感到驚訝且滿意。

英文原文意見：

1. Why is this study important? What biomimetic research or applications might this research find be applied in the future?

This study shows how sap-sucking insects release their pee.  These insects are important to study because they transfer diseases to  plants and cause loss and damage to　agriculture.

I had studied how mammals have constant pee time.  I always saw peeing with a jet as universal, but this study shows that it is not a good option for very small insects.  Those insects would waste energy to create a jet.   Instead they catapult drops away.

2. Are there any inferred research limitations for this study?

The researchers showed how they removed the hairs from the stylus and the drop traveled at much lower speed.  That is interesting and surprising.  How do insects use hairs to measure the speed of the drop?

They showed that drops are super-propulsive, but its amazing that such a small device can throw the drops at high speed.  It would be interesting to build a device that can replicate the accurate catapulting of the drop.  I am surprised it is so easy to propel a small drop with such a small catapult.  To fully believe their result, I would like to see a small version of the device.  Previous papers they cited involved a very large surface, but the insect uses a very small sharp object to propel the drop.

3. How should ordinary people correctly understand this research?

This study is fundamentally about manipulating small amounts of fluid efficiently.  It can have applications in microfluidic devices such as ones that we do blood test and saliva tests.

These insects are everywhere.  it seems strange that they throw drops, but this action is actually beneficial to them because it saves them energy.

This is a great example of curiosity in everyday things leads to a very interesting result that makes sense.

In the United States, such research can be misunderstood.   Some people might think that it is wasteful to study insects peeing.  For example there are senators in the US that criticize scientists who study such things.

But whether it is wasteful depends on if their result is interesting or not.  I was surprised and satisfied about the result of this project.