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:


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。

 

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曾雨涵

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