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更新日期:110年8月25日

臺大研究成果系列報導 牛頓力學與巨鳥孵蛋—STEM激出創新火花

巨蛋是一般對有圓頂的建築物的稱呼,包括「臺大新體」的小巨蛋在內,生下「臺大新體」這顆巨蛋是工程團隊;真實的巨蛋則是鴕鳥蛋,是母鴕鳥所生,因為鴕鳥是目前世界上最大的鳥。工程上的巨蛋和生物的巨蛋,有什麼關聯呢?

機械系莊嘉揚老師(帶領碩士生顏安與專題生陳品衣)和生科系于宏燦老師(帶領碩士生吳筱柔)合作,研究蛋殼的力學與孵蛋的關聯,成果發表於最近一期的國際期刊《生物學》(Biology)(MDPI)並且成為封面故事(https://www.mdpi.com/2079-7737/10/8)。

工程上有薄殼理論,探討薄殼體載荷重量的力學性能。「新體巨蛋」和鳥蛋都屬於薄殼的結構,以沿厚度均勻分布的中面應力來承載外力,具有採用最少的材料但達到重量輕而強度高的優點,所以薄殼一直在機械、航空等工業受到重視。現生鳥蛋被視為是一項「克服矛盾」的天然設計;一方面,蛋殼必須夠堅固,以承載親鳥坐臥孵蛋時的重量;另一方面,蛋殼又不能太堅固以至於雛鳥在孵化時難以破殼而困死於內。莊老師、陳品衣與顏安之前的研究已經有一個有趣的發現:儘管鳥蛋的大小差異極大,例如,象鳥的蛋重9000克(分佈於馬達加斯加,已經絕種),而蜂鳥的蛋重僅僅0.3克,兩者相差五個數量級;分析上千顆不同鳥類生的顏色、形狀、大小互異的蛋,卻有一個固定的數值C(是蛋殼剛勁度、蛋重、蛋的長軸與短軸的函數),所有的鳥下的蛋C值約15000,而且和單位無關,稱為無因次常數。這樣的結果在生物學上的意涵是,鳥類在長時間下演化出一個特別的設計,儘管各種鳥的體重差異很大,他們的蛋都在調整蛋殼勁度、蛋重、蛋的長軸和短軸這四個因素之後達到一個共同的設計原則,所以出現固定的C值。也就是蛋殼是一個近乎完美的設計,克服孵蛋和破蛋的「兩難矛盾」(https://sec.ntu.edu.tw/epaper/article.asp?num=1330&sn=15838)。

但是生物演化之下產生的生物的多樣性有更多的趣味,就是動物的行為也間接參與「蛋殼的適應」的設計遊戲,尤其是體型大的鳥,歸類於巨鳥;最熟悉的巨鳥當然是非洲的鴕鳥,他們產的巨蛋有1.2公斤。鴕鳥和其他堪稱巨鳥的鳥類幾乎都屬於平胸鳥(Ratites),牠們和其他鳥不同,若你決定啃啃鴕鳥的胸骨,是不會發現像雞胸骨上的突起。世界上的平胸鳥,除了非洲的鴕鳥之外還有美洲三趾鴕鳥、鴯鶓、食火雞;前面提到的象鳥和恐鳥也是平胸鳥,過去400年內遭到人類獵捕而滅絕了。這些巨鳥之中,象鳥和美洲三趾鴕鳥的體型是公母鳥一樣大;鴕鳥、鴯鶓、食火雞和恐鳥則是雌雄異形,鴕鳥的公鳥稍大於母鳥;鴯鶓、食火雞則是公鳥遠小於母鳥(在鳥類中很少見),於是牠們採取專由公鳥來孵蛋的策略(蛋殼的承載負荷較輕)。於是針對巨鳥,團隊再度出發,取得鴯鶓、食火雞的蛋,以精密儀器分析蛋殼勁度並以電腦模擬finite element analysis (FEA)去推測;果然,蛋殼的強度確實是只能承受公鳥的重量而無法承受母鳥的重量。團隊也另外分析已經絕種的幾種巨鳥和其他巨鳥與他們孵蛋行為。

FEA原來是工程上分析人造的結構,包括薄殼,發展出來的。團隊創意的應用在分析蛋殼,激起古生物學和動物學界的讚嘆,同時也將蛋殼加入工程上薄殼理論的範疇內,引起機械力學界的注意,甚至可能發展出仿生的應用。

總結,近年來教育界推動STEM(Science、Technology、Engineering、Mathematics),巨鳥孵蛋的薄殼力學,正顯示STEM教育的長處,讓理學和工學之間產生更多互動,融合彼此既有的知識與專長,激出更多的火花。參與研究的陳品衣目前在美國麻省理工學院(MIT)攻讀博士;顏安在日本大阪的近畿車輛公司擔任工程師,設計鐵道車輛;吳筱柔繼續延伸研究恐龍蛋,即將任職地質系古生物研究助理,也計劃前往美國深造。毫無疑問的,都從STEM教育概念獲得好處!

研究成果全文:Egg Incubation Mechanics of Giant Birds
於2021年8月1日發表於《生物學》期刊(Biology):https://doi.org/10.3390/biology10080738

  • 圖1

    機械系與生科系師生合作研究成果榮登國際期刊《生物學》(Biology)封面。

  • 圖2

    吳筱柔碩論口試。

  • 圖2

    實驗室迎新送舊晚餐 (攝於2016年)。

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