你所不知道的「早知道」(Things You Didn't Know You Knew) | 環境資訊中心

你所不知道的「早知道」(Things You Didn't Know You Knew)

《學蜘蛛人趴趴走――受大自然啟發的仿生科技》導讀

2007年11月25日
作者:李旺龍(國立高雄應用科技大學機械系教授)

The Gecko's Foot: Bio-inspiration「早知道用功一點,就不會不及格。」「早知道小心一點,就不會出這種事。」人們每天開口閉口說著「早知道」,通常是希望時間能夠倒流,只可惜時間之箭並不會回頭。不過,另外還有一個「早知道」,就是天天在我們身邊、習以為常卻常常受到我們忽視的「自然」。人是習慣的奴隸,習慣每天日月星辰、山水風雲、蟲鳴鳥叫,習慣周遭事物的存在及演化,而我們每天又有很多事要煩要忙,往往無暇注意周遭隨時給我們很多暗示的自然。其實自然時時刻刻展現她豐富的演化成果,直到我們突然間驚鴻一瞥、靈光一閃,才終於注意到這大太陽底下存在許久的新鮮事。

《學蜘蛛人趴趴走》先是向我們介紹許多令人目瞪口呆的生物巨觀特質,如壁虎的黏著力、貽貝在水中的強大黏著力、蓮花的自我清潔能力、藍摩爾佛蝶的光學幻術、蜘蛛網堅韌的彈性、奈米等級的自組裝技術、昆蟲的飛行能力、花朵樹葉的摺疊展開機制及仿生建築等,接著進入微觀結構的觀察研究過程,向我們說明這些特異功能背後的機制,也說明這些機制發展成產品所面臨的重重挑戰,並期待引發更多人產生天馬行空的創意、找到更好的材料,使產品能夠有所突破、造福人類。《學蜘蛛人趴趴走》每一章都有著很美的標題以及貼切的詩詞為伴,歌頌著「仿生學」這連接自然設計與人造技術的橋樑。

仿生學可以粗略定義為:從自然界合法「剽竊」設計及想法,應用來改善人類的技術。自然界演化的速度很緩慢,偶爾還會發生突變,悠閒地隨著時間長河慢慢前進;不過,若將這一大段演化時間視為一年,那麼自有人類出現到現在,只過了不到一分鐘,人類的技術發展確實需要好好學習大自然;而理論上,自然的設計若經過人類技術改變,必將產生不少趣味。

事實上,仿生學並不是指人類技術全然抄襲大自然,因為生物體內的環境不見得適合人造技術的應用,不過若能對生物體的功能與作用機制進行深入的基礎研究,必定有助於找出人類某種技術的解決之道,因此生物學家在這個過程中不可或缺。大自然一直在解決各種不同的問題,讓生物不需依賴很多資源,即可達到夠大的競爭力而,因此生物運用各種資源都能非常知足且不浪費,其中諸多奧祕非常值得人類技術好好學習。

舉一個例子,來看看自然設計跟人造技術存在著多大差異。以能承受負載的樹木跟鋼鐵作比較,樹木(自然的設計)是溼的,具有撓性,而鋼鐵(人造技術)是乾的、堅硬的;人造材料多是高溫製作並具有均質性(指材料的特性在任何位置都相同)及等向性(材料的特性在任何方向都相同),而樹木則是在常溫下成長,具有橫向的層狀構造及縱向的纖維組織(即異向性),且具有依成長過程(如受到風吹雨打等外力作用)記錄下來的非均質特性(以年輪呈現);人造技術是有稜有角的,且以直角居多,但樹枝的分叉則有某些程度的曲率,以降低應力太過集中可能造成的傷害;人造材料需有技術介入才能生產產品,而自然設計則多半本身就有生產製造的能力,「人為煉鋼」跟「樹木自動成長」是非常鮮明的對比;人造技術大多具有單一功能的限制,自然設計則常有多功能的目標,如鋼鐵多半只作為結構用,而樹木除了支撐本體所受的外力,還可負擔水分、養分的傳輸等成長功能;人造設計出了問題(如鋼鐵鏽蝕)就需要修理及替換,而自然設計往往可以自我治療復原,例如天然橡膠必須劃破橡膠樹皮取膠,但樹皮會自行癒合。

2004年7月,我前往英國威爾斯的史溫西大學(Swansea University)擔任訪問學者,期間曾拜訪《學蜘蛛人趴趴走》第五章提到的英國第一位仿生學教授朱利安.文森(Julian Vincent)。朱利安是位生物學家,在巴斯大學機械系擔任教授,對於研究充滿熱誠,我與他約見面的時間不巧是巴斯的假日,但他還是開車前來火車站,接我到他的仿生及自然技術研究中心,不但為我做詳盡的介紹,還在停車場地上就蛞蝓爬行留下的痕跡,與我討論腹足的運動以及潤滑劑的分泌等問題。他對我說,他不懂力學也不懂數學,但是他有能力向自然「剽竊」其設計理念,開發新創意,用於機械設計方面。

2005年7月,我邀請朱利安來台短期訪問,在高雄應用科技大學的「創意/奈米/仿生」研討會上發表演講,吸引了來自各個領域的研究學者擠滿機械系的演講廳。後來朱利安應邀參觀國立科學工藝博物館,之後他花了5分鐘向我描述人為何會口渴,並解釋啤酒中的化學物質可以解決口渴的感覺,意思是提醒我,他需要啤酒解渴!隨後,我又於2006年6月前往巴斯大學機械系擔任仿生學訪問教授,在朱利安的研究中心跟他和年輕的博士生在一起3個多月,每天在校園內湖邊的午餐及下午茶的討論是最快活的時間,也讓我深深了解到,「仿生」不是一味的模仿,而是要對自然有深入的理解,並發揮天馬行空的創意,才能實現「產品化」的目標。

舉該中心的例子來說,沙漠中的蟑螂是開發低耗能除溼機的學習對象;松果對溼度的敏感,促成該中心在日本愛知博覽會提出可感應流汗程度而適度通風的「聰明衣」;啄木鳥用力啄木頭不會腦震盪,造就了電動鐵鎚的設計。回台前,朱利安為我準備歡迎派對,並邀請我在他家住了2個晚上、深入交談,都是我快樂的回憶。

仿生學是跨領域的科學,當跟不同領域的專家在一起,彼此傾聽對方的研究,交換著彼此對另一領域不成熟的想法,往往是擦出火花的時刻。我也將自2007年8月1日起,從現在的學校轉任到成功大學奈米科技暨微系統工程研究所,奈米科技同樣深具跨領域的特性,而]「仿生」與「奈米」的結合,更是很「自然」且本來就存在大太陽底下許久的新鮮事。

我讀完《學蜘蛛人趴趴走》原文,愛不釋手,認定此書對於許多研究學者必定是很好的仿生學入門書,也是通識課程「跨領域」的最佳範例。在成功大學微奈米中心經費支援下,幾位好友曾著手進行翻譯,從科學普及的角度來看,也很高興看到此書在市面上流通,因此樂於推薦。讀者若對於相關領域有興趣,亦可參考國科會的科普入口網站「科技大觀園」,收錄著我與學生的「奈米仿生科普化教材」提供延伸閱讀。

      《學蜘蛛人趴趴走――受大自然啟發的仿生科技》

學蜘蛛人趴趴走――受大自然啟發的仿生科技
The Gecko's Foot: Bio-inspiration: Engineering New Materials from Nature
 

  • 作者:佛布茲(Peter Forbes)
  • 譯者:張雨青
  • 出版社:遠流出版
  • 出版日期:2007年5月11日  

本文為《學蜘蛛人趴趴走――受大自然啟發的仿生科技》導讀。
本文與農委會林務局合作刊登。
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