如何養出活體真菌智慧鞋墊？

「我要謝謝 Pleurotus ostreatus [註]在研究中的配合。」2018 年非常運算實驗室（Unconventional Computing Laboratory）主持人 Andrew Adamatzky 教授，於英國皇家學會（the Royal Society）的《介面聚焦》（Interface Focus）期刊上，介紹如何用真菌天然的電力活動，來運作電腦。[1, 2]文末還真情流露地，感恩「它們」對研究的貢獻。[1]2023 年 3 月，他的寶貝真菌 P. ostreatus 又來了！這次改由該實驗室的另一位科學家 Anna Nikolaidou 領軍，於《科學報告》（Scientific Reports）期刊，教大家怎麼養出智慧鞋墊。[3]

Pleurotus ostreatus。圖／Maja Dumat on Flickr（CC BY 2.0）

智慧感測鞋墊

智慧感測鞋墊（intelligent sensing insoles），簡稱「智慧鞋墊」（smart insoles）。理想上，不僅要偵測步態、平衡、姿勢和肌肉力量等，以診斷並治療疾病；最好還能兼顧經濟、美觀、電力持久等諸多需求。依照其功能，大致分為三類：[3]

1. 被動智慧鞋墊（passive smart insoles）：能感應負重、地貌，以及揮發性有機化合物等。[3]
2. 主動或互動智慧鞋墊（active or reactive smart insoles）：可以在感測後，做出反應。[3]
3. 先進智慧鞋墊（advanced smart insoles）：除了感測和反應，還能因應使用的環境，進行適切的調整。[3]

智慧鞋墊運用的範圍，包括：運動訓練，以及監測身障、癡呆或年長者的行動安全等。被寄予厚望的同時，難免大量耗電。要嘛電池體積龐大，塞不進設計的造型；要嘛削足適履，導致續航力不足。再加上高昂的售價，以及有限的鞋款和尺寸選擇，都令智慧鞋墊普及不易。[3]於是，英國非常運算實驗室的團隊，就捧著 P. ostreatus 向世人宣告，潛力解方在此！

製作鞋墊

研究初期，實驗團隊選了三種材質的墊子，試著在上面養 P. ostreatus：[3]

1. 麻質鞋墊（hemp insoles）：買來幾個牌子的產品，都不容易養出真菌。科學家懷疑廠商為防細菌造成臭味，做過化學處理，結果意外害到真菌。[3]
2. 麻纖不織布墊（non-woven hemp matting）：養得出真菌，但其自然產生的電力活動，似乎因為布料含水量易變，而不太穩定。此外，結構比較不結實。[3]
3. 毛細作用墊（capillary matting）：其特質最適合實驗的要求，因此雀屏中選。[3]

決定之後，就可以正式開始養鞋墊了～

材料與設備

1. 好培育又易收成，以黑麥為主的雜糧養出來的真菌 P. ostreatus。[3]
2. 由羊毛與壓克力複合的3毫米厚毛細作用墊，剪成的英制女鞋 10 號鞋墊（下圖a）。[3]
3. 28 × 14.5 × 11 公分的 5 公升裝無菌塑膠容器。[3]
4. 49.5 × 32公分的聚丙烯（PP）塑膠袋。[3]
5. 0.5 微米空氣過濾貼片。[3]
6. 食品保鮮用的封口夾。[3]
7. 經過去離子處理的純水。[3]
8. 有 Mylar 不透光塑膠內裡的水耕栽培帳篷。[3]

圖／參考資料 3，Figure 1（CC BY 4.0）

培養步驟

1. 在裝有黑麥等雜糧的塑膠容器底部養 P. ostreatus。[3]
2. 將噴灑過純水的鞋墊放在上面。[3]
3. 拿黏著空氣過濾貼片的塑膠袋罩起來，再以封口夾密封。[3]
4. 送進置於陰暗處的水耕栽培帳篷，維持內部溫度約 18 至 22°C。[3]
5. 每 3 天檢查 1 次，不時補充純水。[3]
6. 約 3 週後，成長茁壯的菌絲，均勻分佈在整個鞋墊上（上圖 b），便小心取出，進行測試。[3]

觀察鞋墊的突波

實驗團隊用 ABS 樹脂，3D 列印出底面積等大的假腳，來踩踏鞋墊。下方擺的布料，尾端伸入一盒純水，隨時將水吸去給鞋墊，避免真菌在實驗中渴死。他們在鞋墊上裝了 8 對電極，並連接電線與數據記錄器等器材，以利觀察。結果一如預期：當 P. ostreatus 受到外力，電壓短暫飆升的「突波」（spikes），次數明顯增加；而且在壓力施加和移除時，做出不同反應。[3, 4]另外，依照電極安裝的位置，可以清楚分辨腳趾、腳跟等，各部位受力的差異。[3]

紅色假腳踩在白色鞋墊上；下面的綠色布料從塑膠盒吸收純水。圖／參考資料 3，Figure 2（CC BY 4.0）

縱軸是電壓；橫軸為時間；不同顏色的線條，代表鞋墊各處的電極。中央為鞋墊承載35公斤時，真菌明顯變多的突波。圖／參考資料 3，Figure 4（CC BY 4.0）

菌絲複合材料

這種結合真菌和其他東西養出來的菌絲複合材料（mycelium bound composites），不只成本低廉，會自己成長、組裝、修復、發電，以及感測壓力變化，廢棄後絕大部份還能生物降解，相當符合永續精神。唯一的問題是，使用期間要維持它健康地活著。為了營養充足，就讓鞋墊夾帶黑麥等穀物；外面若密封起來，則可避免細菌感染與水份流失。[3]不過，論文沒有說明改良後能撐上多久，不曉得未來實際運用時，是否得定時幫鞋墊餵食澆水…

備註

根據國立自然科學博物館「數位典藏國家型科技計劃」，Pleurotus ostreatus英文俗稱oyster mushroom；中文叫做蠔菇、側耳、平菇、秀珍菇、北風菌、鮑魚菇或天喜菇等。[5]在繁多的譯名之中，有些又與同為側耳屬（Pleurotus）的夏季鮑魚菇（Pleurotus cystidiosus）和杏鮑菇（Pleurotus eryngii）等，用字雷同。故本文採英文學名，以避免混淆。[6]

參考資料

1. Adamatzky A. (2018) ‘Towards fungal computer’. Interface Focus, 8(6).
2. ‘Professor Andrew Adamatzky’. University of the West of England. (Accessed on 24 MAR 2023)
3. Nikolaidou, A., Phillips, N., Tsompanas, MA. et al. (2023) ‘Responsive fungal insoles for pressure detection’. Scientific Reports, 13, 4595.
4. The Trustees of Indiana University. (18 JAN 2018) ‘ARCHIVED: What are blackouts, brownouts, spikes, surges, and sags?’. University Information Technology Services.
5. 王伯徹「秀珍菇－Oyster Mushroom」國立自然科學博物館，數位典藏國家型科技計劃（Accessed on 24 MAR 2023）
6. 王伯徹「夏季鮑魚菇」國立自然科學博物館，數位典藏國家型科技計劃（Accessed on 25 MAR 2023）

Read More