本版精神導師，「史上最有梗的男人」，喬治亞理工學院的胡立德教授，近日發表了一篇文章，探討「蟲蟲的流體力學」…
眾所周知（？），貓是一種液體。除了貓以外，一大堆蛆蟲也可以變成液體喔～～～
貓是一種流體。（來源：網路梗圖）
這次我們很榮幸邀請到這篇論文的第一作者，來自台灣，目前正在胡老師團隊攻讀博士學位的柯鴻堂先生，為我們介紹這個研究的內容。鴻堂也是本版創版以來觸擊最高的「黃金炒飯的秘密」這篇論文的第一作者，實在太厲害了！
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食物浪費在全球都是非常嚴重的問題，在台灣，即使厨餘能夠集中回收，但你知道嗎，大部分的收集的厨餘都無法被有效利用，超過八成的厨餘都是被焚化的。
這幾年來生物學家發現黑水虻（black soldier fly，一種飛蟲）的幼蟲，有機會成爲解決處於問題的關鍵英雄。黑水虻可以分解厨餘，吸收這些養分長大的幼蟲富有豐富的營養價值，可以直接拿來餵養家禽讓我們吃。等於我們可以靠黑水虻直接把厨餘轉化變回食物！黑水虻在台灣各地都已經有應用，在中國、韓國、美國等國家也都有新創公司致力于這個通過黑水虻回收廚餘的新興產業。
但這個跟物理學有什麽關係呢？
業界的研究人員發現，黑水虻覓食的時候不能太過聚集。當他們曡在一起覓食的時候，由於他們自身會放熱而又無法散熱，整個黑水虻群會過熱，甚至導致裏面的黑水虻死亡。因此現在餵食黑水虻必須要提供很多的空間讓牠們散熱。最近開始有人提倡在一群黑水虻的下面放很細的網子，然後透過這個網子提供向上吹的氣流，從而達到散熱的效果。這個方法在叫流體化（fluidization），在工業界混合顆粒物質上有很多的應用。這種方法往往可以讓顆粒物質變成和流體一樣，例如讓沙變成流沙。
我們的研究發現，黑水虻其實在沒有氣流幫忙的情況下，本身就會有類似流體一樣的行爲。如果把他們裝在小瓶子裏，隨著瓶子朝不同方向傾斜，黑水虻們會像水一樣自動調整他們的重力位能，讓黑水虻罐的「水面」能夠跟杯子裡的水面一樣維持水平。
一堆黑水虻的幼蟲，也是流體（來源：Frontiers in Physics）
我們進而分析黑水虻在氣流中的群體行爲。隨著氣流的增大和減小，黑水虻堆的高度會跟著上升和降落。死掉的黑水虻跟一般的顆粒物質，像沙礫，都會有所謂的遲滯現象：在氣流減少的時候，沙堆的高度本來應該要因為少了氣流推升的力量而降下來，但實際上往往會比氣流升高的時候要高。這是因爲在落下的過程固體顆粒會卡住（jamming），讓沙堆中間形成很多微小的縫隙，整個沙堆相對來説自然會更高。這就像是你把放咖啡豆的罐子敲一敲，咖啡豆的高度會往下降一些，是一樣的原理。
我們發現活黑水虻堆在氣流中不會有遲滯現象，對於任何一個流速都會有一個一致的高度，和氣流的變化方向（增大或是減小）無關。
爲什麽黑水虻會有這些特別的性質呢？是因爲他們很聰明，對氣流有特別的應對機制嗎？還是他們只是隨機扭動，這些特別的性質完全是他們無意而爲之？
我們透過模擬巨觀的隨機物質在氣流中的行爲，發現的確光是靠這種隨機的扭動，整個群體就會有類似流體的行爲，在我們的實驗條件下也就不會有遲滯現象。
雖然這樣的發現對於物理學家來説很神奇，但這種提供氣流的方式的應用價值還需要探討。我們做了這個實驗：在不同的風速下，用X光來偵測食物（加了顯影劑的「果凍」）丟進「黑水虻幼蟲液」之後的分布，以及牠們的「進食效率」，也就是食物隨時間消耗的狀況。結果發現，當氣流速度太快的時候（2 m/s），雖然可以讓黑水虻不會有過熱的問題，但牠們同時也沒有辦法好好進食——畢竟牠們在空中無法接觸食物啊！（又不是小狗咬飛盤）
圖說太長寫不下...
（圖三的圖說：風速與黑水虻幼蟲進食的研究：(A) 實驗儀器中央是放黑水虻幼蟲的筒狀容器，從下面的管子送風進去。（B）「液面」上的四個黑色方塊是食物，灰色部分是黑水虻幼蟲。（C）不同風速下的食物分布狀況，風速越大食物（黑色）分布得越廣越平均。（D）不同風速下食物殘餘量對時間的關係，風速1.4m/s時跟無風時差不多，但是風速大到2m/s時蟲蟲就很難吃到食物了。理論上這個曲線應該是要一路向下，因為食物只會減少不會增加，此圖上下跳動的狀況是來自用圖（C）的X光影像的黑色區域估算出的食物殘餘量，跟真實數值會有點誤差之故。）
或許會有一個適中的流速，既可以防止過熱，又可以不影響黑水虻進食，這個最佳風速，還有待進一步研究。此外，其他熱傳導的方式，像是用金屬導熱，也可以讓黑水虻可以更密集地覓食，增加這個過程的空間使用效率，把廚餘變成雞肉鴨肉…
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這就是「蟲蟲的流體力學」、「蟲蟲的熱力學」、「蟲蟲的凝態物理學」！
這個研究，發表於2021/12/02的「Frontiers in Physics」（物理學前線）期刊。
- 超中二物理宅雜記
- 話都給我說就好 其之301
- 生物力學
- 流體力學
Our Georgia News 報導：https://ourgeorgia.news/airflow-is-vital-to-making-sure-that-black-soldier-fly-larvae-thrive-as-a-sustainable-supply-of-meals/
Frontiers in Physics 論文（2021/12/02）：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2021.734447/full
美國台灣商會關於台灣廚餘的報導：https://topics.amcham.com.tw/2018/10/taiwan-food-waste-right-resource-wrong-approach/
