2010年3月10日

數不盡的昆蟲資源— 超微機器人的構想

作者/朱耀沂(台灣大學昆蟲系名譽教授)

本專欄曾以害蟲、益蟲、有用蟲為主題,介紹了昆蟲與人類的關係,雖然在我們的觀念中這些昆蟲的種類還不少,但就整個昆蟲界來說,牠們仍是九牛一毛。不管如何,既知的近兩百萬種昆蟲存活得好好的,在自然界各自擁有發展的空間。牠們之所以能如此繁榮,原因不少,其中之一為身體小,可以無孔不入地利用小空間。昆蟲中最大型的大王花金龜(Goliathus regius),體長不過10~12毫米,體重近100公克,即我們常見的獨角仙(Allomyrina dichotoma)的10倍體重;最小型的昆蟲則是薊馬的一種卵寄生蜂Megaphragma sp.,只有0.17~0.19毫米的體長。極大多數昆蟲是體長不到1毫米的小型種,但牠們仍能進行爬、走、跳、飛等各種運動,還能表現出覓食、尋偶、在適當處產卵等各種行為。如此奧妙的生理機制,啟發了人們發展超微機器人的構想。

雖然大型機器人能進行笨重的工作,替人省力,但小型機器人在製作上可節省不少材料,運作時也不必耗費太多能源,並且不占太多空間,可處理我們或大型機器人觸及不到的細節,甚至可爬進管狀構造中尋查故障處,進行修復工作。目前以昆蟲為模型的超小機器人——機器蟲,其開發已成為專家積極投入的一大領域。

到底我們能夠做出多小的機器蟲?由於材料工學進步快速,在顯微鏡協助下使用噴灑鋁粉的塑膠薄膜,可摺出翅開展只有0.44毫米的紙鶴,對照一粒蠶寶寶的卵直徑約1毫米,即知此隻紙鶴有多小。顯然在材料上製造一個超微機器蟲已不是難關,但一個完整的機器人或機器蟲必須兼備硬體(body)、感覺(sense)和智能(intelligence)三樣才行。目前關於硬體的問題大致可以解決,但其他兩項仍有不少瓶頸待突破。

據筆者所知,目前最小型的機器蟲是體長1.5毫米、寬0.7毫米、以矽膠薄片製作的螞蟻型機器人,它的六隻腳中的前後兩對用於支持器體,中腳才用於運動,它們以一定周率的振動共鳴來調整各自的運動,依傳達振動強度的方向移動右腳或左腳,或者左右兩腳,也可右轉、左轉或向前直進。由於它的供能源藏在器體內,不必以電線和外界連接,因此假以時日應可發展出一些功能,如潛入人體組織或微細構造中進行工作。

昆蟲的另一特徵是具有超級靈敏的感覺系統。例如常在我們房屋中出沒的美洲蜚蠊,其腹端有一對葉片狀尾角,尾角上的感覺毛可以感受秒速2毫米的微小空氣流動,當我們舉起手想打牠時,牠已感受到舉手所引起的空氣流動,因此在下手前即逃之夭夭。另一個例子是蒼蠅的感覺系統。放置一塊有腥味的肉或數滴果汁,馬上誘來一些蒼蠅,捉一隻蒼蠅以顯微鏡觀察牠口器中央的舌狀部位——唇瓣和腳端,可發現一些長約0.1毫米、直徑約0.02毫米的毛,這就是牠尋找食物並判斷可否食用的感覺毛;當感覺毛判定該物質無毒而可食,蒼蠅就會伸出口器開始取食。在感覺毛旁插入超微小電極,供試不同味道的食物,調查其味覺系統的感受性,只就甜味而言,既知蒼蠅對各種糖類的感受度,以蔗糖、麥芽糖為最強,接著依序是果糖、葡萄糖、乳糖,此順序與人類的感受度相同,但蒼蠅對蔗糖的敏感度是人類的10倍。【更詳細的內容,請參閱第483期科學月刊】

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