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仿生-以自然為師的科學

credit: tommyscapes @flickr

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為何鯊魚可以幫助醫療器材抗菌?為何海底成群結隊的魚群可能拯救能源危機?為何動物的循環系統可以促進糧食生產又兼顧生態保育?這些看似毫不相關的事件,是用什麼方法連結在一起的?答案就是仿生(biomimicry)。生命演化已有38億年的歷史,初來乍到的人類自詡為地球上最聰明的生物,可以運用我們的智慧跨過一切障礙,成就一項又一項的文明;然而,我們都是永續生態的一員,在改變世界的同時,卻無法衝出環境保護的瓶頸,該怎麼做?恐怕得回頭問問住在地球上許久的老前輩們。

台灣經濟研究院生物科技產業研究中心在6月27日舉辦國際仿生科技論壇,邀請國際仿生權威Janine Benyus、成大材料系暨奈微所李旺龍教授、清大材料系陳柏宇助理教授、興藝峰生技農業楊洵副總經理,向大家分享仿生的概念、以及在材料、農業等領域的成果與發展。

你不知道的早知道

李旺龍教授說,仿生學就是一門對大自然合法抄襲的學問,Janine Benyus說,仿生跟其他生物相關學科差別是,仿生採用的是生物的配方、做法,而不是直接或間接使用生物資源。自然界中形形色色的生命,以各種姿態適應環境、發展了許多充滿智慧的技巧解決生存的問題,仿生學的應用,就是從我們身邊的生物上找到他們古老的策略,轉化到人們生活上的科技,突破現有的困境,並與自然永續共存。

Janine Benyus說,台灣是一個島國,較有機會面臨環境崩潰的危機,所以更需要學習維持永續生態,最好的方法就是從自然中學習生物和系統,設計更有效率、低污染的生產方式。李教授說,仿生學對很多人來說還很陌生,其實已行之有年,仿生產品也已經在我們日常生活,受到鬼針草啟發的魔鬼氈就是最好的例子,近年來,科學家也從自然中想出了更多令人意想不到又具啟發性的好點子。

魚兒魚兒水中游,游來游去真有用

Credit: henry jager

Credit: henry jager

海底總動員動畫中,成群的沙丁魚不僅可以排列巨大圖型,指示多莉和馬林尋找小尼莫的方向;在現實世界裡,魚群的移動方式也引導科學家到更好的風力發電廠。Janine Benyus說,在魚群中,隊伍前面的魚擺尾向前游動時,身後的水會產生漩,後方的魚兒就可藉著這個漩,搭上順風車,輕輕鬆鬆的跟上隊伍,科學家靈機一動,將這個原理應用在風力發電上,一般的風力發電機距離甚遠,風電廠佔地廣大,由魚群發想出的風電廠,利用直筒狀的風電機,如魚群緊密排列,前方風電機轉動產生的氣流就像魚尾產生的漩,也吹動後方的風電機,這樣可以節省空間,是更有效率的發電方法。

省水也能像魚呼吸般簡單?自來水管線中的空氣累積,會導致管線損壞並降低過濾污染物的效果,目前只能一節一節的移除管線中空氣,在維護和操作上耗費龐大,且有大量的自來水因此從管線中流失,為解決這個問題,一個年輕的團隊模仿魚腮捕捉水中氧氣的方法,設計出水中的空氣過濾器,像魚兒呼吸一樣排掉管線中的氣體。

鯊魚的皮膚不僅可以降低摩擦力,表面上還有細微的粗糙結構,可以防止微生物附著,研究人員利用這個特性,開發出類似的材質,應用在醫院的牆壁、手術台,防止微生物滋生,可以達到抗菌功能,又能避免因為殺菌產生的超級細菌。

 生物導師,俯拾皆是

Credit: 牛犇LBNB @ flickr

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隨著科技進步,人們對材料的要求越來越高,堅硬必須,輕量佳,稀有金屬更好,在研究、生產過程往往需要大量的能量、伴隨著汙染的代價,而生物中有許多既硬且韌、人工無法匹敵的構造,卻是由普通的蛋白質和礦物質,在常溫常壓下優雅的形成。清大材料系的陳柏宇副教授從材料科學切入,研究鹿角、鮑魚殼、蜘蛛絲、海綿的機械性質,研發輕、韌、強的材質。

鳥類為了飛翔,從骨骼到羽毛都是中空的結構,巨嘴鳥的喙相當巨大,雖然看起來很笨重,但其實是個既輕且強的複合材料,中空的構造讓喙有龐大的體積而保持輕盈,外面有層薄膜保護結構的完整,兩者結合創造1+1>2的效果;豪豬的尖刺內部是多孔結構,外部由薄膜包覆,形成堅固又抗折彎的特性;在建築、汽車、航太上,都可利用多孔洞骨架降低重量,同時又兼具機械性質。

興藝峰生技農業將人類心血管系統的概念轉移到溫室蔬菜農場的地下灌溉設備,如同心臟加壓血液經由血管運輸氧氣和養份到目標細胞,幫浦打出營養液,經由地下管線滲透到植物根部,這樣可以減少地上灌溉法的水份流失,也能避免滴灌系統常面臨的阻塞問題。

台灣仿生齊步走

台灣是個位於亞熱帶的島國,我們有永續經營的必要,高度生物多樣性是我們珍貴的寶庫,讓我們有潛力利用仿生學逆風高飛,Janine Benyus建議,要發展仿生學,必須在從教育著手,由政府成立研究中心、輔佐成立企業,最後回饋自然,維護環境就能孕育出更多元的生命型態,讓我們有學習對象,形成正向的循環,讓我們將生物視為導師,想辦法和世界和諧永續的相處,保護我們共同生活的家。

延伸學習

  • Biomimicry 3.8:Janine Benyus 創立的仿生學協會
  • Ask Nature:Biomimicry 3.8附屬的仿生學案例搜尋引擎

關於作者

雷漢欣

PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。