臺(tái)大研究成果系列報(bào)導(dǎo) 牛頓力學(xué)與巨鳥(niǎo)孵蛋—STEM激出創(chuàng)新火花

巨蛋是一般對(duì)有圓頂?shù)慕êB物的稱呼，包括「臺(tái)大新體」的小巨蛋在內(nèi)，生下「臺(tái)大新體」這顆巨蛋是工程團(tuán)隊(duì)；真實(shí)的巨蛋則是鴕鳥(niǎo)蛋，是母鴕鳥(niǎo)所生，因?yàn)轼r鳥(niǎo)是目前世界上最大的鳥(niǎo)。工程上的巨蛋和生物的巨蛋，有什麼關(guān)聯(lián)呢？

機(jī)械系莊嘉揚(yáng)老師（帶領(lǐng)碩士生顏安與專題生陳品衣）和生科系于宏?duì)N老師（帶領(lǐng)碩士生吳筱柔）合作，研究蛋殼的力學(xué)與孵蛋的關(guān)聯(lián)，成果發(fā)表於最近一期的國(guó)際期刊《生物學(xué)》（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(xué)性能?！感麦w巨蛋」和鳥(niǎo)蛋都屬於薄殼的結(jié)構(gòu)，以沿厚度均勻分布的中面應(yīng)力來(lái)承載外力，具有採(cǎi)用最少的材料但達(dá)到重量輕而強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，所以薄殼一直在機(jī)械、航空等工業(yè)受到重視。現(xiàn)生鳥(niǎo)蛋被視為是一項(xiàng)「克服矛盾」的天然設(shè)計(jì)；一方面，蛋殼必須夠堅(jiān)固，以承載親鳥(niǎo)坐臥孵蛋時(shí)的重量；另一方面，蛋殼又不能太堅(jiān)固以至於雛鳥(niǎo)在孵化時(shí)難以破殼而困死於內(nèi)。莊老師、陳品衣與顏安之前的研究已經(jīng)有一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)：儘管鳥(niǎo)蛋的大小差異極大，例如，象鳥(niǎo)的蛋重9000克（分佈於馬達(dá)加斯加，已經(jīng)絕種），而蜂鳥(niǎo)的蛋重僅僅0.3克，兩者相差五個(gè)數(shù)量級(jí)；分析上千顆不同鳥(niǎo)類生的顏色、形狀、大小互異的蛋，卻有一個(gè)固定的數(shù)值C（是蛋殼剛勁度、蛋重、蛋的長(zhǎng)軸與短軸的函數(shù)），所有的鳥(niǎo)下的蛋C值約15000，而且和單位無(wú)關(guān)，稱為無(wú)因次常數(shù)。這樣的結(jié)果在生物學(xué)上的意涵是，鳥(niǎo)類在長(zhǎng)時(shí)間下演化出一個(gè)特別的設(shè)計(jì)，儘管各種鳥(niǎo)的體重差異很大，他們的蛋都在調(diào)整蛋殼勁度、蛋重、蛋的長(zhǎng)軸和短軸這四個(gè)因素之後達(dá)到一個(gè)共同的設(shè)計(jì)原則，所以出現(xiàn)固定的C值。也就是蛋殼是一個(gè)近乎完美的設(shè)計(jì)，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(chǎn)生的生物的多樣性有更多的趣味，就是動(dòng)物的行為也間接參與「蛋殼的適應(yīng)」的設(shè)計(jì)遊戲，尤其是體型大的鳥(niǎo)，歸類於巨鳥(niǎo)；最熟悉的巨鳥(niǎo)當(dāng)然是非洲的鴕鳥(niǎo)，他們產(chǎn)的巨蛋有1.2公斤。鴕鳥(niǎo)和其他堪稱巨鳥(niǎo)的鳥(niǎo)類幾乎都屬於平胸鳥(niǎo)（Ratites），牠們和其他鳥(niǎo)不同，若你決定啃啃鴕鳥(niǎo)的胸骨，是不會(huì)發(fā)現(xiàn)像雞胸骨上的突起。世界上的平胸鳥(niǎo)，除了非洲的鴕鳥(niǎo)之外還有美洲三趾鴕鳥(niǎo)、鴯鶓、食火雞；前面提到的象鳥(niǎo)和恐鳥(niǎo)也是平胸鳥(niǎo)，過(guò)去400年內(nèi)遭到人類獵捕而滅絕了。這些巨鳥(niǎo)之中，象鳥(niǎo)和美洲三趾鴕鳥(niǎo)的體型是公母鳥(niǎo)一樣大；鴕鳥(niǎo)、鴯鶓、食火雞和恐鳥(niǎo)則是雌雄異形，鴕鳥(niǎo)的公鳥(niǎo)稍大於母鳥(niǎo)；鴯鶓、食火雞則是公鳥(niǎo)遠(yuǎn)小於母鳥(niǎo)（在鳥(niǎo)類中很少見(jiàn)），於是牠們採(cǎi)取專由公鳥(niǎo)來(lái)孵蛋的策略（蛋殼的承載負(fù)荷較輕）。於是針對(duì)巨鳥(niǎo)，團(tuán)隊(duì)再度出發(fā)，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(cè)；果然，蛋殼的強(qiáng)度確實(shí)是只能承受公鳥(niǎo)的重量而無(wú)法承受母鳥(niǎo)的重量。團(tuán)隊(duì)也另外分析已經(jīng)絕種的幾種巨鳥(niǎo)和其他巨鳥(niǎo)與他們孵蛋行為。

FEA原來(lái)是工程上分析人造的結(jié)構(gòu)，包括薄殼，發(fā)展出來(lái)的。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)意的應(yīng)用在分析蛋殼，激起古生物學(xué)和動(dòng)物學(xué)界的讚嘆，同時(shí)也將蛋殼加入工程上薄殼理論的範(fàn)疇內(nèi)，引起機(jī)械力學(xué)界的注意，甚至可能發(fā)展出仿生的應(yīng)用。

總結(jié)，近年來(lái)教育界推動(dòng)STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics），巨鳥(niǎo)孵蛋的薄殼力學(xué)，正顯示STEM教育的長(zhǎng)處，讓理學(xué)和工學(xué)之間產(chǎn)生更多互動(dòng)，融合彼此既有的知識(shí)與專長(zhǎng)，激出更多的火花。參與研究的陳品衣目前在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）攻讀博士；顏安在日本大阪的近畿車輛公司擔(dān)任工程師，設(shè)計(jì)鐵道車輛；吳筱柔繼續(xù)延伸研究恐龍蛋，即將任職地質(zhì)系古生物研究助理，也計(jì)劃前往美國(guó)深造。毫無(wú)疑問(wèn)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(fā)表於《生物學(xué)》期刊（Biology）：https://doi.org/10.3390/biology10080738