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微觀世界新科技-鑄強奈米學園 首頁 / 交流討論 / 《學蜘蛛人趴趴走》
《學蜘蛛人趴趴走》 回應


《學蜘蛛人趴趴走》這本書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。這本書的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」許多設計及想法,應用來改善人類技術。但其實自然並不完美,自然界的演化速度很緩慢,偶爾有一些小錯誤發生,偶爾發生了突變,就是這麼悠閒地隨著時間長河慢慢前進,演化到現在這步田地。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,大概只過了不到一分鐘,因此人類的技術發展確實需要好好學習大自然的演化成果;而理論上,自然的演化設計若經過人類技術的改進,必將產生不少趣味,只是這種「改進」尚屬理論,因為有著太多的未知。

事實上,仿生學並不是指人類技術全然抄襲大自然的設計,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。生物依據天擇過程而發展至今,全身上下許多部位都發展出最佳的狀態;這裡所謂的「最佳」,其實也可以說是「夠好」而已,也就是說,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存活下來,因此生物運用各種資源都能非常知足且不浪費,其中諸多奧秘非常值得人類技術好好學習。

我們可以舉一個例子,來看看自然設計跟人造技術存在著多大差異。就以能承受負載的樹木跟鋼鐵來做比較,樹木(自然的設計)是濕的,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,並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(例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);人造技術都是有稜有角的,以直角居多,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出產品,而自然設計則多半本身就具有生產製造的能力,所以「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,而自然設計往往具有自我治療復原的功能,例如天然橡膠必須劃破橡膠樹皮取膠,但樹皮會自行癒合。

二○○四年七月,我前往英國威爾斯的史溫西大學(Swansea University)擔任訪問學者,期間曾拜訪本書第五章提到的英國第一位仿生學教授,朱利安•文森(Julian Vincent)。朱利安是個生物學家,在巴斯大學機械系擔任教授,他對於研究充滿著熱誠,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。

二○○五年七月,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,之後他花了五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,我又於二○○六年六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三個多月,每天在校園內湖邊的午餐及下午茶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。

舉該中心例子來說,沙漠中的蟑螂是開發低耗能除濕機的學習對象;松果對濕度的敏感度,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」概念;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,朱利安為我準備的歡迎派對,並邀請我在他家住了兩個晚上、深入交談,都是我快樂的回憶。

仿生學是跨領域的科學,當你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。我也將自二○○七年八月一日起,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。

我讀完此書原文,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,也是通識課程中「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,而從科學普及的角度來看,也很高興看到此書在市面上流通,因此樂於推薦此書。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「奈米仿生科普教材」提供延伸閱讀。(本文作者為國立高雄應用科技大學機械系教授)
2008/4/29 AM 10:50:46


張鑫聖





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