作家
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| 2012/11/25 11:20:05瀏覽1763｜回應2｜推薦29 | |
 文 /新北市立安康高中 朱晉杰（小豬老師）
仿生學，又名模仿技術學（Bionics），是由美國空軍軍官斯蒂爾(Jack E. Steele) 少校於1958年首創這個名詞，經過生物三十八億年的光陰，由一千到三千萬種的充分演化得到的經驗法則。 仿生學是模仿生物的特殊本領的一門科學，籍了解生物的結構和功能原理，來研製新的機械和新技術，或解決機械技術的難題。仿生學這個名詞來源於希臘文「Bio」，意思是「生命」，字尾「nic」有「具有……的性質」的意思。認為「仿生學是研究以模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特徵的方式、或是以類似於生物系統方式工作的系統的科學」。 藉由仿造各種生物的優點，改進人類的技術或創造發明，如啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼不會腦震盪、蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量、蝙蝠的回音定位造成雷達發明與孔雀尾巴呈現色彩的結構。 水中的貝殼分子結構用於新式合成透明塑膠，輕薄如紙強韌如鋼用在醫療用途上，可使受傷組織復原，魚鰭是世界最完美結構的天然推進器，墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩。
另外，生物的骨骼構造比鋼鐵強硬、變色龍的變色逃生的機制用於軍事偽裝設備、利用壁虎掛吊在天花板上機制，超強黏性的仿生黏著劑壁虎膠帶，具有乾爽與剝除能力、蓮花出淤泥而不染、蜻蜓與蜂鳥的自動控制與導航系統、蜘蛛絲有五倍鋼鐵的硬度與延展性、蒼蠅能在二十分之一秒內高速直角轉彎、放屁甲蟲向敵人噴射的刺激性熱液(過氧化氫)與人類的火箭使用燃料相同等。 達爾文在物競天擇的學說中，談到了生物的演化過程，因為適者生存的理念，自然界永遠是我們學習的對象，和我們現有的技術相比，大自然在解決一些關鍵問題時採用的方法常常比我們的科技更優，因此，這邊將一些來自於自然界的啟發工程應用實例與大家分享。 一、翠鳥和高鐵 日本的工程師們成功地製造出了新一代新幹線列車，其運行時速超過320公里，但是當列車高速行駛時其產生的噪音超過了環境標準，這是由於列車高速通過狹窄的車道時將產生音爆效應。
這一問題的部分原因是高鐵列車的車頭是子彈型，因此它會「推擠」前方的空氣而非「切穿」過去，為解決這個問題，工程師們從翠鳥的嘴巴上得到了靈感。
翠鳥生活在河流湖泊附近高高的枝頭上，經常俯衝入水捕魚，它們的喙外形像刀子一樣，瞬間穿越空氣，從水面穿過時幾乎不產生一點漣漪。 觀察發現，翠鳥擁有一個流線形的長長鳥嘴，其直徑逐漸增加，以便讓水流順暢向後流動，通過仿生學設計，工程師們對子彈車頭進行重新改造，西日本鐵路公司製造出了500系列列車，並於1997年投入使用，最後這種列車的車速比起原有設計提升了10%，而電力消耗降低了15%，而噪音水準也有了顯著下降。 二、鯊魚和塑膠塗層 細菌感染恐怕是最令醫院頭疼的一件事，無論醫生和護士洗手的頻率有多高，他們仍不斷將細菌和病毒從一個患者傳到另一個患者身上，事實上，美國每年有多達10萬人死於他們在醫院感染的細菌疾病。 但是，鯊魚卻可以讓自己的身體長久保持清潔——長達一億多年，與其他大型海洋動物不同，鯊魚身體不會積聚黏液、水藻和藤壺，這一現象的應用，開發出一種塑膠塗層，目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗，比如開關、監控器和把手，迄今為止，這種技術看上去確實可以趕走細菌。
三、蝙蝠與音波手杖 一位元大腦專家、一位元生物學家和一位元元工程師走進了同一家餐廳，幾個不同領域的專家的突發奇想最終導致音波手杖(Ultracane)的問世：這是一種盲人用的手杖，在靠近物體時會振動。 這種手杖採用了回聲定位技術，而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統去感知周圍環境。音波手杖能以每秒6萬個的速度發送超聲波脈衝，並等待它們返回。 當一些超聲波脈衝回來的時間超過別的超聲波脈衝時，這表明附近有物體，引起手杖產生震動。利用這種技術，音波手杖不僅可以“看到”地面物體，如垃圾桶和消防栓，還能感受到頭頂的事物。由於音波手杖的資訊輸出和回饋都不會發出聲音，使用者依舊能聽到周圍發生的事情。
四、駝背鯨和風扇葉片 美國賓夕法尼亞大學西賈斯特分校流體動力學專家、海洋生物學家弗蘭克·費什(Frank Fish)教授表示，他從海洋深處找到瞭解決當前世界能源危機的辦法。 費什注意到，駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起，它們在水下可以令鯨魚輕鬆在海洋中遊動。但是，根據流體力學原則，這些隆起應該會是鰭的累贅，但現實中卻幫助鯨魚遊動自如。 這些名為結節的隆起使得鰭狀肢更符合空氣動力學原理，它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經過的空氣分成不同部分，就像是刷毛穿過空氣一樣，叫做“結節效應”(tubercle effect)，不僅能用於各種水下航行器，還應用於風機的葉片和機翼，令其空氣動力學效率比標準設計提升20%左右，此技術的更大用途則是用於風能，在風力渦輪機的葉片增加一些隆起，將使風力發電產業發生革命性變革，令風力的價值比以前任何時候都重要。
五、蛇怪蜥蜴和在水面行走的機器人 蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”(Jesus Christ lizard)，這種稱呼還是有一定道理的，因為它能在水上走。很多昆蟲具有類似本領，但它們一般身輕如燕，不會打破水面張力的平衡。體形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因為它能以合適的角度擺動兩條腿，令身體向上挺、向前衝。
2003年，卡內基梅隆大學的機器人技術教授梅廷·斯蒂(Metin Sitti)以此啟發造出第一個能在水面行走的機器人，可以用它去監測水庫中的水質，甚至在洪水期間幫助營救災民。 六、馬勃菌和太陽能電池板 橙黃色的馬勃菌海綿(puffball sponge)並不多見，它基本上是一種生活在海底的「碰碰球」。馬勃菌海綿並沒有任何的附肢、器官、消化系統和循環系統，無時無刻不在過濾水體。
馬勃菌海綿的「骨骼」是由眾多格子狀的矽鈣物質構成，事實上，它類似於我們用以製造太陽能電池板、微晶片和電池的材料，但有一點不同：我們在製造這些材料時需要大量能量和各種各樣的有毒化學物質，海綿顯然在這方面做得更好：它們只要向水中釋放特殊的酶，從中吸收矽鈣，就能把這兩種化學物質變成需要的外形。 美國加州大學聖巴巴拉分校生物技術教授丹尼爾.摩斯(Daniel Morse)研究了馬勃菌海綿酶的特性，並成功進行了複製，他通過清潔、效率很高的海綿技術制出大量電極。 七、樹蜂和多刃鋸 不用怕樹蜂屁股上兩根像鞭子一樣的大大的針狀物，它們不是刺，而是“鑽頭”，樹蜂利用這些針狀物(有時比整個身體還長)在樹上鑽洞，然後在裡面寄存幼子。 樹蜂可以從任何角度毫不費力地鑽洞，科學家最終發現，樹蜂的兩根針狀物可以深入木頭，然後像拉鍊一樣鎖起來鋸東西。
英國巴斯大學的天文學家認為，樹蜂的鑽頭在太空大有用武之地。長久以來，科學家為了在火星上尋找生命，他們必須在火星表面鑿洞。但是，在幾乎沒有重力的火星環境下，他們不清楚是否能找到可以在堅硬表面鑿洞的壓力。受樹蜂的啟發，研究人員設計出一種一側有多餘刀刃的鋸子，讓它們像樹蜂的“鑽頭”一樣互相推，這套裝置可以用於在無任何重力的流星的表面鑿洞。 八、龍蝦和X光透視機 X光透視機大而笨重是有原因的，與可見光不同，X光不喜歡彎曲，所以難以操作。我們對機場包裹以及醫院患者進行掃描的儀器個頭都很大。 但是，生活在水下300英尺(約合90米)處的龍蝦卻具有“X光視線”，而且性能遠遠超過我們的X光透視機。與人眼(必須由大腦解讀所折射的圖像)不同，龍蝦可以直接看到反射的圖像，將其聚焦於某一個點，全部在此聚集以後形成圖像。 科學家多年來就試圖找到龍蝦這種技巧的方法，用於製造新型的X光透視機。
龍蝦眼X光成像儀(LEXID)是一種可擕式手電筒，可以看穿3英寸(約合8釐米)厚的鋼板。這套儀器可以射出一串細細的低功耗X光穿透物體，無論碰到什麼東西，都會在另一端恢復原狀。正如在龍蝦的眼睛一樣，返回的信號通過小管中轉生成圖像。 九、還魂植物和水熊蟲保存疫苗 當事情不妙的時候，裝死顯然是不錯的選擇。這是大自然兩種最具耐力的生物——還魂植物和水熊蟲——的座右銘。 還魂植物(Resurrection plant)是指在乾旱時節枯萎，看上去枯死一樣的沙漠苔蘚。可一旦下雨，它們會再次生機勃發，好像一切都沒有發生似的。
水熊蟲具有類似的裝死本領，這種只能在顯微鏡下看到的動物會在某一段時間內停止一切活動，承受對人類來說最為殘酷的環境。它們可以在接近絕對零度和300華氏度以上的極端溫度下存活，一滴水不喝也能活上十年，承受輻射的能力是地球上其他動物的1000倍，甚至還能在真空狀態下存活。在正常條件下，水熊蟲看上去就像是四肢胖乎乎的睡袋，可一旦遭遇極端條件，它們便像霜打的茄子一樣枯萎。如果環境重新回歸正常，小傢夥只要一點兒水就又能煥發生機。還魂植物和水熊蟲生存之道在於冬眠。在此期間，它們會用一種糖(最終變得如玻璃般堅硬)替代體內所有水分，結果令其陷入一種假死狀態。
儘管這種方法不適於人類——用糖取代血液中的水分會令我們一命嗚呼，但的確可以用於保存疫苗。據世界衛生組織估計，全世界每年有200萬兒童死於疫苗本身可以阻止的疾病，如白喉、破傷風、百日咳。因為疫苗具有一些活物質，一旦遭遇溫度過高的環境會立即死去，所以，將疫苗安全送達需要它們的地方極為困難。這也是英國一家公司從還魂植物和水熊蟲的生活習性吸取經驗的原因。他們開發出一種特殊的防腐劑，可以將疫苗內的活物質變成蓋玻片水珠，令疫苗在酷暑中也能存活一周多的時間。 十、巨嘴鳥和汽車車板 巨嘴鳥的喙大而厚重，本應該讓這種鳥兒不堪重負。這是因為巨嘴鳥的喙簡直是工程學上的奇跡。它十分堅實耐用，可以啄穿最硬的水果外殼，還是對付其他鳥類的有力武器，而它們的密度卻與保麗龍杯(Styrofoam cup)一樣。乍看上去，它好像是包了一層硬殼的泡沫，如摩托車頭盔。然而，所謂的“泡沫”其實是由小腳手架和細細薄膜構成的複雜網路。
腳手架本身由厚重的骨骼構成，但它們的間隔十分有序，使得整個喙的密度只有水的十分之一。梅耶斯認為，通過模仿巨嘴鳥喙的特性，我們開發出更堅實、更輕便、更安全的汽車車板，已經廣泛採用了這項技術。 |
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