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流線型車頭、沙漠中汲水,還有哪些從大自然來的仿生好點子?——《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2017/05/23 ・2379字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

這些師法動植物的創新技術令人讚嘆不已

地球上的生物歷經數十億年的演化,才得以完美地適應棲息環境,在充滿競爭的世界中利用巧妙的方式克服障礙、存活下去。舉例來說,儘管某些寄生蜂不是非常有力,其長管狀的產卵器官卻能鑽進數公分厚的實木中。

這些寄生蜂藉由不斷來回搓動產卵管的兩片生殖瓣,將產卵器官鑽進木頭中,且鑽木的同時不會對周遭區域產生太大的干擾。這種鑽孔機制與我們目前運用在營建工程及神經外科手術上的鑽孔設備截然不同,但科學家已從寄生蜂的產卵技巧中汲取靈感,好設計出創新的工具,例如可控式醫用探針。

這類機智妙招在大自然中俯拾即是,許多領域的工程師都已開始認知到師法動植物所帶來的好處。從營建到戰鬥,仿生學(biomimicry)都正幫助我們找到解決舊問題的新方法,並替我們打開劃時代技術的大門,好讓人類的演化能再向前邁進一大步。

跟白蟻學建築

建築師米克.皮爾斯運用白蟻窩的原理,用一系列通風管和煙囪,能將熱氣帶往上方及室外,維持建築的涼爽和通風。圖/By Scott Bauer, Public Domain, wikimedia commons

當你想到世上最偉大的建築師時,浮現在腦海中的大概不會是白蟻。但這種生物能在一座土丘中打造出有儲藏室、通風口和花園等設施的龐大城市。

白蟻丘錯綜複雜的坑道系統善用了空氣對流(暖空氣上升、密度較高的冷空氣下沉),使溫度保持恆定,讓白蟻一年四季都能耕種主食──真菌。

建築師米克.皮爾斯(Mick Pearce)從這不可思議的傑作中汲取靈感,設計出無須使用空調設備,就能終年維持舒適溫度的永續建築。此建築物運用白蟻窩的原理,具備一系列通風管和煙囪,能將熱氣帶往上方及室外,維持建築的涼爽和通風。

啟發靈感的動物

牠們為哪些科技和工程傑作帶來靈感?

改良日本高速鐵路

新幹線 500 系電聯車的行進時速雖可達 300 公里,但卻會產生音爆。工程師從流線型的翠鳥鳥喙汲取了改造車頭的靈感,使新款列車變得更安靜、快速且節能。

工程師從流線型的翠鳥鳥喙汲取了改造車頭的靈感,使新款列車變得更安靜、快速且節能。圖/By Tennen-Gas, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

降低水中行進的阻力

鯊魚是強大的掠食動物,且有些鯊魚的時速可逾 50 公里!科學家認為鯊魚皮上覆蓋的骨鱗能降低游動時的阻力,便用此概念打造出流體動力表現更佳的船隻。

鯊魚皮上覆蓋的骨鱗能降低游動時的阻力,便用此概念打造出流體動力表現更佳的船隻。圖/By Allan Lee @ flickr, CC BY 2.0

製作保護色衣物

頭足綱動物能改變皮膚外觀的顏色,以躲避天敵或追蹤獵物;牠們利用肌肉收縮來呈現不同色素,好融入背景。工程師已仿效此原理, 未來可望用於「智慧衣著」。

頭足綱動物能改變皮膚外觀的顏色,以躲避天敵或追蹤獵物;牠們利用肌肉收縮來呈現不同色素,好融入背景。圖/By NOAA/MBARI, Public Domain, wikimedia commons

人工光合作用

用人造葉子將有害氣體轉為環保燃料

數億年來,植物一直維繫著動物的生命,藉由吸收二氧化碳、水和來自太陽的能量,來製造出氧氣和以碳水化合物形式存在的能量。目前科學家已研發出具有同樣功能的人造葉;事實上,這種人造葉捕捉太陽能的效率約為天然葉片的 10 倍。人造葉利用觸媒將水分離成氧和氫,再以特殊細菌把氫和二氧化碳轉化成液態燃料。

這項革命性的技術能夠製造出液態燃料,卻又不會產生碳足跡,因此將來可能會成為人類減少二氧化碳排放量的重要工具之一。

本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)。
本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)。

提升效率

動物如何造就科學發現?

魔鬼氈

學童不須大費周章綁鞋帶是件很棒的事,這都得歸功於仿生技術。一位工程師注意到:刺果上的小鉤會緊緊黏附在狗毛上,因此促成了魔鬼氈的發明。

一位工程師注意到:刺果上的小鉤會緊緊黏附在狗毛上,因此促成了魔鬼氈的發明。圖/By Kamranki, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

改良風力發電機

儘管座頭鯨的體型碩大,牠們卻靈巧得驚人。因為座頭鯨的鰭肢邊緣有著稱為突節(tubercle)的大型隆起,這項特徵讓座頭鯨在進行精巧的動作時能增加升力、減少阻力。此原理能應用於風扇、飛機和風力發電機的設計。

座頭鯨的鰭肢邊緣有著稱為突節的大型隆起,讓座頭鯨在進行精巧的動作時能增加升力、減少阻力。此原理能應用於風扇、飛機和風力發電機的設計。圖/By 林 慕尧, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons

沙漠集水

納米比沙漠是世上數一數二乾燥的棲地,但擬步行蟲(darkling beetle)卻能在此地求生;牠們能將尾部舉高,收集水汽。科學家發現這類甲蟲的前翅上有微小溝紋,有助於將水引向口部。這種溝槽現也開始被應用於集水設備的設計。

擬步行蟲能將尾部舉高,收集水汽。科學家發現這類甲蟲的前翅上有微小溝紋,有助於將水引向口部。這種溝槽現也開始被應用於集水設備的設計。圖/By Muhammad Mahdi Karim, GFDL 1.2, wikimedia commons

 

 

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)

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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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