（圖片來源：Darbaniyan et al./Matter）

將熱量轉換為(wei) 電能被認為(wei) 是一種僅(jin) 堅硬材料（如晶體(ti) ）所具備的特性。但是，受到蛇的紅外（IR）視覺的啟發，研究人員建立了一個(ge) 數學模型，將柔軟的有機結構轉換為(wei) 所謂的“熱釋電”材料（pyroelectric materials）。這項研究證明了柔軟且易於(yu) 彎曲的物質可以轉化為(wei) 熱釋電材料，且有可能解決(jue) 長期以來蛇IR視覺機製相關(guan) 謎團，於(yu) 2020年10月21日發表在《物質》（Matter）雜誌上。

當一種材料可以將熱量轉換為(wei) 電脈衝(chong) 時，就稱為(wei) “熱釋電”，這是一種通常僅(jin) 在堅硬、非撓性物質中才能發現的特性。而具備紅外感應能力的蛇具有天生的柔軟結構，它們(men) 如何實現這種熱電轉換仍是一個(ge) 未知之謎。

“人們(men) 以為(wei) 如果蛇的窩器（pit organ）中有堅硬的熱釋電物質，我們(men) 就可以解釋它們(men) 的紅外感應能力，但是沒人能找到這一物質。”休斯頓大學M.D.安德森教授（M.D. Anderson Professor）、機械工程係主任 Pradeep Sharma 說道，“因此，我們(men) 想知道當我們(men) 試圖使柔軟的材料具有熱釋電特性的時候，大自然是否也在做同樣的事情。”

像《鐵血戰士》（Predator）係列中的外星人一樣，蝮蛇和其他蛇以其熱感應而聞名。實際上，毒蛇的紅外視覺非常敏銳，“如果一隻動物出現在漆黑的黑暗中，即使隻在 40 厘米外閃現半秒鍾，蝮蛇也能夠感知到它。”Sharma說。

這種能力是通過一種稱作窩器的結構來實現的，這是一個(ge) 靠近蛇鼻孔的中空小室，內(nei) 有柔軟的薄膜。“窩器在將熱量轉化為(wei) 可以檢測到的信號的處理過程中起著重要作用。”Sharma說道，“但是，我們(men) 仍不了解窩器膜內(nei) 的神經元細胞如何實現將熱信號轉化為(wei) 電，以產(chan) 生該信號。”

一條蝮蛇的大腦中形成了獵物的紅外圖像示意圖。 （圖片來源：Darbaniyan et al. /Matter）

Sharma和他的團隊以窩器膜的生理學特征為(wei) 靈感，建立了一個(ge) 數學模型來解釋在柔軟的有機材料中如何實現從(cong) 熱到電的轉換。“我們(men) 的解決(jue) 方案具有迷惑性的簡單。除了更高級的設計元素之外，製造熱釋電軟材料所需的隻是將靜態、穩定的電荷嵌入到材料中，並確保它們(men) 不會(hui) 泄漏出去。然後，必須確保該材料足夠柔軟，使其能夠在形狀和尺寸上發生大的變形，並且對溫度敏感。如果滿足這些條件，它們(men) 將產(chan) 生熱釋電的效果，這在我們(men) 的模型中已經得到了驗證。我們(men) 相信，這正是大自然所使用的，因為(wei) 這個(ge) 過程既簡單又可靠。”Sharma說。

響尾蛇窩器示意圖。 （圖片來源：Darbaniyan et al./Matter）

實驗室已經開始使用柔性材料驗證該模型，但是還需要進一步的研究來確認這種假設的機製是否發生在蛇的窩器膜的神經元細胞中。早期的研究工作暗示位於(yu) 膜神經元細胞內(nei) 的TRPA1蛋白通道起著重要作用。但是，這些通道與(yu) 本文提出的機製之間的關(guan) 係尚不明確。

“毫無疑問，利用這個(ge) 模型，我可以自信地開發具有熱釋電特性的人造柔性材料。而且，我們(men) 相當有信心，我們(men) 至少已經發現了這些蛇如何在黑暗中看見事物的部分答案。”Sharma說，“現在既然我們(men) 已經建立了這個(ge) 模型，其他科學家可以進一步研究，開始進行實驗，以確認我們(men) 關(guan) 於(yu) 蛇紅外感應的理論是否正確。”

接下來，Sharma希望繼續研究柔性材料，探索如何操縱它們(men) ，使其僅(jin) 由磁場產(chan) 生電能。他還希望通過足夠的研究刺激高溫、壓電和磁電柔性材料的發展，增加人類發電的可選擇方法。

翻譯：陳夢圓

編輯：戚譯引

引進來源：Cell Press

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