國立高雄應用科技大學微 / 奈米磨潤實驗室

國立高雄應用科技大學微/奈米磨潤實驗室 輕功水上飄水黽指導教授：李旺龍研究生 : 黃盈嘉

摘要 • 水黽擁有什麼神奇秘密，能夠在水面上凌波微步？藉由了解水黽的構造及生活習性，來理解水黽在水上漂浮的方法及水黽如何在水上行走的秘密。並且希望能設計新式的水上動力設備，改善現有船艦的移動方式和速度。

報告流程

（一）水黽的特性 • 學名：Aquarlus elongates • 科別：水黽科（兩棲的半翅目） • 別名：水蜘蛛圖1

特徵： 體驅細長，身體輕盈，前腳特化成捕捉腳，可用以捕獵，而中、後腳細長，長有濃密帶油質的細毛，具防水作用，在水面上能作急速的划動。圖2

食物來源： 落水的小蟲體液或死屍魚體。圖3 圖4

覓食： 水黽對水面的動靜異常敏感。在它的足關節之間有一層特殊的薄膜﹐膜上有靈敏的感震細胞。能馬上傳達至大腦中樞神經﹐如掉落水中的螞蟻﹐水黽能馬上衝到螞蟻面前﹐把針一樣的口器刺入螞蟻的軀體。３分鐘過後﹐螞蟻的營養物質化成汁液﹐然後水黽開始吸食。圖5

（二）水黽結構 • 水黽背面圖: 圖6

水黽腹面圖: 圖7

（三）水黽在水面漂浮不下沉的原因 會不會是它們的腿分泌油脂？會不會是因為表面張力？為何水黽能在水面漂浮而不下沉？微奈米结構

會不會是它們的腿分泌油脂？ 研究人員在人工的水黽腿上面塗了一層蠟這條腿能夠讓水黽在水面上靜止一會兒，但卻不能經得起水的波動。圖10

會不會是因為表面張力？ 水黽的一條長腿就能在水面上支撐起15倍於身體的重量而不會沈沒。而水表面的張力卻沒有如此大的浮力。圖11

為何水黽能在水面漂浮而不下沉？ 水黽的腿能支撐300倍於其身體體積的重量，這就是這種昆蟲非凡浮力的原因。圖12

水黽腿部特殊的微奈米结構才是真正原因！ 水黽腿部上有數千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的直徑不足3微米，表面上形成螺旋狀奈米結構的構槽，吸附在構槽中的氣泡形成氣墊。

水黽腿的SEM照片 • (a)水黽腿的無數細長微剛毛。 • (b)單根剛毛上的精細螺旋狀的奈米凹槽結構圖(13a) 圖(13b)

圖14 如上圖在水黽腿剛好刺透水面凹處前的最大深度(4.38±0.02 mm)。在一條腿上產生一個接觸角度167.6±4.4。當加壓於水面上時，我們使用一個靈敏性平衡系統去建造水黽腿的力量位移曲線。出乎意料的，腿直到凹槽的厚度達到4.38±0.02 mm才刺透水面。一條單個的腿的最大的支撐的力量是152達因,或者昆蟲15倍的總體重。腿本身相對排開水的體積大約300 倍，表明它的表面顯然是防水的。

超疏水性的應用不只出現在水黽的腿上，在其他生物身上，也能看出一些端倪，而最令眾人所知的，就是蓮花效應水與葉面的接觸角會大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。超疏水性的應用不只出現在水黽的腿上，在其他生物身上，也能看出一些端倪，而最令眾人所知的，就是蓮花效應水與葉面的接觸角會大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。圖15在表面張力作用下，水與超疏水表面會有一接觸角圖16水珠會夾帶灰塵顆粒離開葉面

(四)水黽在水上行走的方法 水黽的移動速度幼蟲水黽的疑惑實驗觀察水黽在水中運動的方式水黽在水中行走的動力來源

水黽的移動速度: 水黽在水面上每秒鐘可滑行100倍於身體長度的距離，這相當於一位身高1.8米的人以每小時400英里的速度游泳。

幼蟲水黽的疑惑: 產生表面波的最小速度（4δσ/ρ）1/4≒23.2cms-1。成年水黽的腿可以達成這樣的速度，但水黽幼蟲卻無法達成，因此當時的幼蟲水黽應該無法迅速地移動。他們應該太小不能使用波在任何地方推進自己。

實驗觀察: 使著用百里香酚藍色螢光劑將水面染色，再配合每秒500畫面的高速照相機拍攝水黽在水面上所留下的行跡。

水黽通過藍色染料所產生的漩渦 圖17 圖18

水黽在水中運動的方式 • 研究人員日前利用高速攝影機，拍攝水黽前進的連續畫面，意外發現其實水黽前進的時候，只有中間2隻腳在動作，而且不是先靠踩水激起波紋，再像衝浪一樣向前滑行，而是像划船一樣，把雙腳當作船槳划動，藉以前進。

水黽在水中行走的動力來源 • 並不像一些研究者所認為的那樣，是依靠在水表產生的波紋的表面張力。水黽是利用其三對多毛的長足，在水中制造出螺旋狀的旋渦，借助旋渦的推動力，從而以每秒60英寸以上的速度向前行走。

對於二極旋渦來說︰速度V = 4 cm/s，半徑R = 4毫米，質量M=2πR3/3， MV >1 g cm/s， • 對於水黽來說：v=100cm/s, m=0.01g,mv =1 g cm/s • 估計毛細管波衝力約0.05 g cm/s << mv由上面計算可之，儘管的確產生了細微的波紋，但它們並不是最主要的推動力。使水黽在水面上行走的動力，主要來自於水表下所形成的旋渦。圖19

其它生物的推進運動 使用漩渦的推動來進行運動的不單只是水黽，漩渦在空氣和水裡負載這動量，並推進動物向前移動，但是他們的型態隨運動的風格和速度而變化。圖20

圖21 在水上漂浮的水蜘蛛 圖22 水蜘蛛在染色水面上漂浮的漩渦軌跡

機械水黽 機械水黽是由易開罐的罐體製成，前後兩對腳為不銹鋼絲，而中間的一對腳由一條彈力帶和滑輪所代替。圖23

這架機器人有一個主身軀，是由邊長只有半英寸(約0.0127米)的四方盒狀碳化纖維制成，還有八條2英寸(約0.0508米)長的鋼絲腿，鋼絲外層塗有防水塑膠。這架機器人有一個主身軀，是由邊長只有半英寸(約0.0127米)的四方盒狀碳化纖維制成，還有八條2英寸(約0.0508米)長的鋼絲腿，鋼絲外層塗有防水塑膠。圖24 可在水上行走的微型機器人

圖25 圖26 水黽可望在不遠的將來設計出新型微型水上交通工具，如無舷船舶。除此而外，透過專業的研討,應用水黽的超疏水性,期待創造出新型防水紡織品的生產，甚至於發展至人類能在水上行走的產品都成為可能

參考文獻 • (Fig. 1) 引用自 http://www.pbrc.hawaii.edu/~kunkel/wanted/mugs/92296-rap.html • (Fig.2) 引用自 http://www.ymes.ilc.edu.tw/wuwei/new_page_138.htm • (Fig.3) 引用自 http://www.war-sky.com/forum/read.php?fid=119&tid=134038&toread=1 • (Fig.4) 引用自 http://yoyo.center.kl.edu.tw/New23/9402/48.htm • (Fig.5) 引用自 http://sujudy.1001.com.tw/judy/judy/science/29-2.htm • (Fig.6) 引用自 http://sujudy.1001.com.tw/judy/judy/science/29-2.htm • (Fig.7) 引用自 The hydrodynamics of water strider locomotion(Nature雜誌)

(Fig.8) 引用自 http://it.sohu.com/20041126/n223191083.shtml • (Fig.9) 引用自 The hydrodynamics of water strider locomotion(Nature雜誌) • (Fig.10) 引用自 The hydrodynamics of water strider locomotion(Nature雜誌) • (Fig.11) 引用自 The hydrodynamics of water strider locomotion(Nature雜誌) • (Fig.12) 引用自 http://www.lsdaily.com/images/2004-12-22/pic_17927.jpg

(Fig.13) 引用自 http://www.iccas.ac.cn/pic/2004119155544.jpg • (Fig.14) 引用自 shenghuonet.com/.../userpics/12800/strider.jpg • (Fig.15) 引用自 http://www.fcps.k12.va.us/StratfordLandingES/Ecology/mpages/common_water_strider.htm • (Fig.16) 引用自 http://www.cctv.com/program/kjbl/20050131/images/101886_1-15da.jpg • (Fig.17) 引用自 www.ecoulay.org/images/other/16-29.jpg • (Fig.18) 引用自 http://www.iccas.ac.cn/html/2004-11-9/2004119155931.htm • (Fig.19) 引用自 http://www.lsdaily.com/2004-12-22/ca83575.htm • (Fig.20) 引用自 http://www.nsfc.gov.cn/nsfc/desktop/jjyw.aspx@infoid=7662.htm

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