【飽讀好書】昆蟲仿生學 運用於農林技術

內容提供/ 晨星出版 文/ 藤崎憲治

農業是人類生存的根基,為極為重要的產業,在農業這領域也不斷引入最尖端的技術,理應會造就出對環境很友善的農業技術。

精密農業上使用昆蟲型6隻足步行機器人

昆蟲最大特徵就是具有6 隻足。以6 隻足走路是最為穩定的步行系統。模仿6隻足步行的昆蟲機器人之研究正盛行全球。

京都大學農學研究科的研究團隊試作的昆蟲機器人不僅是以6 隻足走路,亦以重現昆蟲的「氣味探尋」與「氣味探索行動」為目的。做為模型的是出現於3 億年前,人稱「活化石」的德國蟑螂。

一般空氣中的氣味分子是以不連續的氣味塊狀存在。當吹來的風不含有費洛蒙時,德國蟑螂為了探尋費洛蒙會四處隨便走動,但一有費洛蒙隨風飄來時便會迎向上風處。因此,昆蟲機器人是模仿蟑螂由費洛蒙與風這兩個要素辨識氣味源頭的定位行動而製成。實驗時,以碳酸氣體取代費洛蒙。安裝碳酸氣體感應器與風向感應器,在控制程式上載入模仿德國蟑螂探索氣味行動的演算法(algorithm)。此外,為偵測障礙物,亦搭載紅外線感應器。

另外為了確認機器人是否僅辨識風向後就朝上風處而去,在3 個地方配置電風扇,設定為以風向感應器感測風向後就會走向風的源頭。實驗的結果,機器人一旦感應到碳酸氣體,就慢慢地邊蛇行邊接近碳酸氣體的源頭。

這種昆蟲型機器人因為體積小,製作成本不高是其優點。在未整地的田園或凹凸不平的地方也可行走,因此,可搭載植物賀爾蒙之一的乙烯(遭受昆蟲危害時也會產生)感應器,若偵測到作物受害狀況等訊息時,就能有效率地噴灑農藥,因而可減少農藥的使用量。稱之為精密農業,將成為綜合式害蟲管理的願景之一。

應用振動訊息防治害蟲

昆蟲當中,有的會利用振動訊息來逃避天敵,有的用來誘發產卵或交配行為。媒介松材線蟲(造成松樹乾枯死亡之元兇)的松斑天牛,也是利用振動訊息的昆蟲。森林總合研究所的研究團隊利用昆蟲這種振動行為,使松樹產生人造振動,成功地阻礙了昆蟲產卵以及發生驅避作用。運用這種手法造成振動,可邊抑制化學農藥的使用,邊保護松樹的神木,避免受到昆蟲的危害。

提到振動訊息,一定要介紹一下「螳螂的下雪預報」。在雪國地方,民間有這樣的傳說:「螳螂若在高處產卵就會下大雪」。有對這民間傳說進行實際驗證的研究,此說法以統計數據上來說是正確的,過去認為螳螂可透過樹木感受到地球的微弱振動,進行氣象預測。若是這樣的話,就不得不佩服昆蟲的「超能力」。不過,之後昆蟲學者提出證明指出,這項研究的大前提,螳螂的卵一被雪埋就會死掉,或是將卵產在比預測的積雪還高的地方,本身就是個錯誤。

利用共生防治白蟻

白蟻會搬運蟻后所產的卵,京都大學農學研究科的研究團隊利用白蟻的這項本能,研發出嶄新的白蟻防治法。在會被當做是白蟻卵的小玻璃球(模擬卵)上塗上卵辨識物質(費洛蒙的一種)與遲效性殺蟲劑後,放在白蟻巢的附近。工蜂會將它搬到巢內,與真正的卵一樣舔舐照料。不久,殺蟲劑會從模擬卵逐漸地移往白蟻身上,透過經口傳遞的營養交換,進而擴散到巢中的同類。不久,藥劑的效果顯現,巢中的白蟻完全死光滅絕,就是這樣的一種方法。

據說目前使用的白蟻防治劑,也號稱是病態建築症候群(Sick Building Syndrome)的造成原因之一。不過,若用這個共生方法,以微量殺蟲劑就可完成殺蟲,是一種對環境友善的防治法,未來應會普遍使用。白蟻在熱帶也會成為甘蔗的作物害蟲,在這些地方也可能使用這種方法。

昆蟲仿生學是以昆蟲為模型,這種仿生技術今後可望蓬勃發展。可以如此保證是因為昆蟲擁有超過4 億年的進化歷史,以及演化的結果在物種與生活樣式上均呈現出多樣化。成為仿生模型的昆蟲之物種以及牠們的型態與機能幾乎取之不盡,用之不竭。然而理應無窮無盡的昆蟲物種,時至今日,因熱帶雨林遭破壞,正不斷減少,地球暖化更如雪上加霜。生物多樣性為昆蟲仿生學之基礎,其保護與管理攸關昆蟲仿生學未來之發展。因此,此問題讓工程學者與參與第二次產業的人們紛紛關注生物多樣性保護與管理之重要性。

大自然奧妙之處在於不使用電力、熱能與動能等龐大的能源,利用自我組織化,就可形塑出自己的樣態。仿生材料與技術必須謀求如何削減能源消耗與廢棄物量,以及利用自我組織化等,必須以工程的簡化與節省能源為導向。若能如此生產物品,或許就可由依賴石油的地下資源文明,轉為善用太陽與自然所賜恩典的「生命文明」。期盼未來能研發出這種可使高機能與環境和諧共處的技術。

此外,廣義的仿生技術與重新檢視我們生活樣式密切相關,如此一來,或許能夠發揮仿生技術真正的價值。昆蟲的特性與我們人類迥異,例如在神經系統可看到昆蟲擁有的腦分散系統,稱之為分散腦,體型小且富有多樣性。人類的文明過於追求效率,導致邁向集中化、大型化,以及一樣化的方向。然而,不斷有人批評指出,當面臨嚴重災害時,這種系統將會無比脆弱且危險。我們該思索人類社會今後基本的應有狀態,也期待昆蟲能帶給我們更多的啟發。

(本文摘自晨星出版《繪圖解說昆蟲的世界》)