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仿生:向自然取經的智慧與藝術

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記錄 / Gilver

人類早從遙遠的史前時代就已經開始取之於自然。隨著歷史更迭和科技革新,工業製程逐漸成為主流,但發展至今卻面臨成本漸高的困境,人類也因此付出環境破壞的代價。於是人們再一次師法自然-近15年來,由基礎科學研究衍生而來的「仿生學」,應用大自然的經驗來解決問題,人們得以追求更好的性能、更低的能源消耗、更少的廢料、更低的毒性、更低的價格。說了這麼多,那麼目前科學界有哪些是當紅的仿生題材呢?另一方面,你是否想過仿生和藝術結合的可能性?今晚M.I.C. 第20場,即以仿生為題,由清大材料科學工程系助理教授陳柏宇、和MakerBar Taipei創辦人闞凱宇共同開講,且讓我們看看仿生材料和仿生藝術,能夠激盪出甚麼樣的火花!

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仿生:來自大自然的靈感

陳柏宇老師目前任職於清華大學材料科學工程系,是首位國際著名學術期刊《科學》邀請撰文的臺灣學者,他的專長研究領域即為仿生材料。陳老師認為,「仿生」不僅只是模仿生物而已,更以生物作為啟發靈感的來源,因此觀察力非常重要。今晚他想和聽眾們分享幾個有趣的仿生研究。

在可取得的材料中,天然的材料相較於人造材料較為有限,像是礦物質、蛋白質和多醣類,它們和傳統的「製造」條件不一樣,需要在穩定的環境下花費時間「生長」,此外生物體的天然材料還具有自我修復、以及複雜階層結構的特性。例如以蛋白質和礦物質這兩種材料,前者的特性是軟而韌,後者則是硬而脆,若將兩者的特性各取其優,便有機會創造出更輕、更強且更韌的複合材料;而在未來,人造材料的發展也將面臨製造昂貴或是傷害環境的困境,未來有期以生物材料解決這些問題,比如說從自然界尋找新的材質,例如纖維素、幾丁質或是木頭,盡量減少毒物使用量的環保製程來取代傳統工業製程。

仿生的例子,比比皆是

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天然材料雖然有限,但有無限的可能。陳老師曾經為了研究韌而輕的結構性生物材料,就曾以鹿角、貝殼、蟹殼和海綿為研究題材。蜘蛛絲是另一個輕而韌的例子,以單位密度來說,蜘蛛絲相當的強韌,但蜘蛛結網時卻不能讓整張網都強韌過頭,網上也要有能夠吸收昆蟲撞擊的部分,否則送上門的獵物可能反而會被彈走,故蜘蛛利用調整蛋白質的結晶形式、吐出不同強度的絲,讓整張網不同的部分各自發揮其效用。

接下來,陳老師顛覆了聽眾對玻璃的印象。矽藻是一群原始的單細胞藻類,卻有著繁複樣式的多孔矽質外殼,對仿生學家來說,矽藻們就好像是蒐羅各種工具的博物館。一般而言,以二氧化矽為主成分的玻璃是易碎的,但類似的材質在海綿的矽質針狀骨中,卻成為韌性良好、不易斷裂,堪稱是不會碎的天然玻璃,它的秘密在於具有孔洞的多層微觀結構,能夠阻擋微小的裂縫擴大。仿生學將之應用到大樓設計中。

鮑魚殼的內側閃耀著珍珠光澤的「珍珠層」,則是強韌的天然陶瓷材料,其主成分為碳酸鈣。它的殼壁組成好比是微米級的磚牆,以碳酸鈣為磚塊、有機層作為交界面砌成,透過研究觀察,鮑魚殼從巨觀到微觀都有著提升韌性的結構特性。而在陳老師的實驗室,即是將陶瓷材料加上些許高分子層狀材料,便可做出模擬鮑魚殼、具有韌性的陶瓷;除了從材質下手,也可以用冷凍鑄造法做出一種特殊的陶瓷,來模仿鮑魚殼的結構。

輕還不夠,機能性嘛要顧

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而在輕而強的複合材料面向,則可以師法卡通裡常見的巨嘴鳥。雖然巨嘴鳥的嘴,卻非常的輕,其秘密在於鳥喙的角質層外殼內部是完全中空的封閉腔室,裡面是有機薄膜包覆的骨架,使得巨嘴鳥的鳥喙重量輕、又具有機械強度。「就好像是你拿很輕的多孔性海綿,塞入同樣很輕、又可以折彎變形的吸管,就能使得它不容易被壓扁,也不容易被折彎。」 陳老師以模型示範說道。 羽毛也是同樣很輕的生物材料,僅憑肉眼就可以觀察到它具有一些孔洞。但羽毛可是別有洞天,洞裡還有洞!羽毛的內壁也是中空的,可減輕重量並兼顧機械強度。鳥類的骨骼也是類似的輕量化設計,骨骼壁薄且內有支架。

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抗彎折的輕複合材料,例如豪豬的尖刺和某些熱帶植物的莖和葉柄,也同樣是利用一層殼包覆住輕質的結構達成。輕量化的設計當然還可以應用到新型飛機,但新型飛機的仿生設計已不滿足於變得更輕,它還可以朝著模仿鯊魚低阻抗的表面、蝴蝶和飛鳥的羽翼形狀、貓頭鷹的無聲飛行和高效能的老鷹飛行……等等為面向更「進化」。

最後,來討論自然界的吸附機制,其中壁虎、鮑魚和樹蛙都是佼佼者。壁虎利用腳掌的奈米纖毛產生的凡德瓦力吸附牆面,鮑魚的腹足也有類似的結構。樹蛙的腳過去以為只是吸盤,但後來發現它也有奈米結構,使樹蛙特別能在粗糙的表面移動。類似的結構還有臺灣高山急流區的生物,擁有能夠吸附、又能移動的適應現象。 雖然目前還沒有具體的產業專門做仿生材料,但它可以應用到生活周遭,像是衣服、汽車到推動節能、生醫技術的發展。陳老師和其他學者共同撰寫的《Biological Materials Science》也已經出版,是第一本仿生學的教科書。

仿生衍藝:數位時代的仿生藝術

闞凱宇先生是設計公司「衍象設計 FABRAFT DESIGN LAB」和3D列印工作空間「MakerBar Taipei」的創辦人,今晚他將以「仿生衍藝」為例,分享設計師如何利用仿生思維進行創作。

「仿生衍藝」(Parametric Vine)是闞凱宇2013年和國立臺灣美術館合作的工作坊。若說陳柏宇老師是研究仿生的科學,闞先生就是將仿生當成藝術設計的創作元素。仿生(Biomimicry)就是模仿生物的造型和機能,透過觀察、分析生物的生長邏輯,歸納出一套演算法,將仿生元素的優點融入設計思維之中。過去的設計多是平面繪圖的形式,而未來透過程式模擬,將能夠把設計更進一步帶到更高程度的仿生境界。

以工作坊中使用的Diffusion-limited aggregation(DLA)為例,它是一種模擬植物生長型態的演算法,能夠產生如樹枝般生長、擴張的圖形。在活動中,設計師能夠以程式語言給軟體下達指令,再加上沒有相關背景的學員的參與,共同利用這套演算法,設計出一千多個造型不同的單元體,最後在3D列印技術的助力下,組成長達六公尺、如巨型帷幕的數位藝術品。

數位時代的仿生未來

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歸功於電腦的運算和3D列印的技術,我們能夠短時間內大量製造出不同造型的仿生設計作品,突破傳統製造方式的侷限、增幅客製化物件的效率。再加入每個人獨特的思考模式,最後加以組合,所產出的就是集結數位製作、程式語言和民眾參與的結晶。 數位製造有賴於精準的數位設計,也就是程式語言。無論是生物的仿生或是幾何的邏輯,都要想辦法讓電腦看得懂。以骨骼仿生的建築師在設計建材和結構時,也是透過演算法達成。

然而,所謂的仿生並不僅只是模仿生物的造型,生物體的機能才是仿生的精神所在,在此提供一個網站 AskNature.org,它以線上問答的方式提供豐富的仿生知識,給設計師參考。 Nervous System也是一支以演算法模擬神經網路模式進行創作的設計團隊,讓人印象深刻。除了演算法,仿生思維還可以融入傳統的設計模式,做出一些特別的物件,像是蒲公英球和沙漠甲蟲儲水瓶。

問與答:關於蜘蛛人的科幻夢,科學家想說的是……

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陳老師表示,構成蜘蛛網的絲分成兩種:強韌的「牽引絲」和具有黏性、能吸震的「網狀絲」。兩種絲的本質都是蛋白質,但結晶的程度不同,受到蜘蛛吐絲器官精密的控制。如果科學家能夠控制高分子材料的結晶方式,或許可以做出更為強韌、機械性更高的纖維。不過,蜘蛛的吐絲器官極為精密,是目前的機械所比不上的;而且目前也沒辦法透過飼養蜘蛛來大量產絲,因為蜘蛛飼養不易,牠們不喜歡被養在一起,會互相吞食。所以蜘蛛人的夢想,可能還要再等等!

仿生,有時也有意外

仿生一定會成功嗎?會不會有跟預想完全不一樣的結果出現? 陳老師說,他研究的其中一項主題—「超親水表面」,即是以豬籠草為題。豬籠草的捕蟲籠唇部原本具有親水性,在雨露沾濕的情形下,覆上水膜使得它變成了超親水表面,讓昆蟲一失足即成千古恨。陳老師的研究團隊用翻模的方法想模擬豬籠草超親水表面,但受制於高分子材質的性質,它反而變成疏水了;可是,我們用電漿表面處理,它又變成親水了! 雖然做研究的過程中,我們會預設研究的材料有一個預設的功能,但不要忽略那些出乎意料的發現,因為它們可能就是讓材料變成多功能的契機。

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【關於 M. I. C.】
M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

本場演講由「科普資源整合運用推廣計畫」科技部科技大觀園的支持。PanSci泛科學與國家高速網路與計算中心共同舉辦,感謝時報出版贊助好書《大黃蜂飛得比波音747還快?》

關於作者

畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。目前在生態演化研究所並且不務正業,以G編的行動代號擔任 PanSci 實習編輯。