仿生設計大未來:人類進步的下一個關鍵
cover
目錄

第一部 材料科學

第一章 欺騙你的心眼:軍人和時尚設計師可以跟烏賊學習的事

第二章 柔軟而強韌:海參和魷魚給外科植入物的靈感

第二部 運動力學

第三章 發明新型的腿:動物啟發新型太空探測船和救援機器人

第四章 天上飛和水中游的動物如何隨波逐流

第三部 建構系統

第五章 跟白蟻學建築:這些昆蟲教我們的建築學(與其他事)

第六章 蟻群思維:螞蟻的集體智能如何改變我們建立的網絡

第四部 永續發展

第七章 人造葉片:尋找乾淨燃料來驅動我們的世界

第八章 城市與生態系:打造更永續的社會

後記

試閱內容

第二章 柔軟而強韌──海參和魷魚給外科植入物的靈感(節錄)

一個星期四的晚上,我在商店街的一條人行道上徘徊。這裡是洛杉磯市中心人口稠密的熱鬧社區,想吃韓國城中的這家韓國海鮮連鎖店你得排隊等上三十分鐘,它亮起的招牌上寫著方方正正的韓文,空氣中則瀰漫著陣陣菸味。

我韓裔美籍的衝浪友人先前告訴我,Hwal Uh Kwang Jang 這餐廳名的意思大約是「活魚廣場」,讓人有一種農場/現撈直送的感覺。我們正是衝著食材新鮮而來的──活章魚吞下口時還吸著你的口腔壁;你在大快朵頤時,被緊緊綁住大鉗的龍蝦還顫動著觸鬚呢。

我和我朋友史瓦蒂(Swati)和約翰來這裡有個任務:嚐嚐生海參。對我來說,這是很大膽的冒險。我熱愛日式壽司,不過迴轉壽司裡沾上美乃滋的鮭魚和青甘更適合我的風格。

海參擱在一層碎冰上、裝在木盒裡送上來的時候,我很慶幸他們只給了我們半份。海參是黑紫褐色,呈現晶亮的果凍狀,和旁邊整齊擺在海鞘殼上的鮮橙色海鞘肉,形成強烈的對比。海參塊不像一般生魚片那樣切得平整好看(我一直覺得切得整整齊齊的,可以消除人們心中吃下不明生食的恐懼),它們看起來像碎冰上擱著一個個近似圓形的塊狀,有些還黏在一起。

來吧。我拿起自己的筷子,設法夾起一塊滑溜溜的海參放進嘴裡。那東西軟軟的外層有點黏黏糊糊的,而且很鹹很鹹──好像浸過重鹹的高湯。我終於咬下去,結果大吃一驚──咬下去嘎吱嘎吱作響。海參很硬,幾乎發出清脆的啪喳聲,像蔬菜一樣。風味和口感的結合莫名地討喜。

我思考著自己曾經吃過什麼類似口感的東西,然後我想到了雞軟骨,不過雞軟骨嚐起來比較軟,也比較好咬碎。

約翰問,這是海參的什麼部位。女服務生禮貌地微笑──這裡跟韓國城商店街的許多連鎖店一樣,通常用不上英文。約翰用手比劃了幾次切割的動作,女服務生點點頭,優雅地比手畫腳描述整個過程──先是一刀縱劃過海參,把海參像書一樣剖開,清掉內臟,然後取用內部剩下的部分。

最後的動作確認了我們吃的正是我想來這裡試吃的東西:海參皮的內層,這層物質有著科學家珍視的奇異特質,也是韓國人眼中的珍饈。

在海裡人人都等著咬你一口。鹹鹹的海水中充斥著各種身軀柔軟的美味生物,從蛤蜊到鮭魚,不一而足。魚類和其他有著硬骨骼(hard skeletons)的動物為了捕捉食物,可是全副武裝,還有牢牢嵌在顎骨上的牙齒。為了保護自己不被攻擊,像淡菜和海螺之類的動物,則用殼來保護自己,築起(幾乎)堅不可摧的堡壘。

但是並非所有海中居民都有殼或牙齒可用,有些動物好像完全沒參與演化的軍備競賽,例如海參和魷魚。牠們柔軟的可憐身體似乎裝備不足,無法抵擋攻擊──然而牠們仍然設法存活了下來,在全世界的海洋中欣欣向榮。那是因為這些動物(不論是掠食者或獵物)都找到聰明的辦法,在牠們貌似柔軟的身體中加進堅硬的要素。

研究軟性機器人(soft robotics)的科學家和進行外科手術的醫生一向忽略了海參的特長──牠是由硬過渡到軟的大師。科學家(和醫生)需要易彎材質提供柔韌性,但也需要堅硬材質來撐住結構。這種「聰明」的材質能改革外科手術的作法,為截肢者開發出更好的義肢,或是做出更安全、不再需要定期更換的腦部植入物。

這一章的重點會放在那些能在複雜的液態環境中由硬過渡到軟的動物,討論牠們是如何辦到的。這是奈米科技中一項了不起的成就,生物利用這種技術已有數百萬年的歷史,可望幫助醫生和生物醫學工程師克服一個重大問題:如何打造出能植入又溼又軟又鹹的人體環境,而且不會造成長期損害的新裝置。

***

海參實在算不上是海洋世界的選美皇后。海參的英文sea cucumber字面的意思是「海黃瓜」,黃瓜這種長條形的蔬菜有股清新的氣息和清脆的風味,但海參看起來比較像酸黃瓜長了難以啟齒的皮膚病。海參會沿著砂質海底緩慢前進;不同種的海參外貌也有差異,有的看起來像是巨大的海蛞蝓(但是有高高隆起的脊、疙疙瘩瘩,甚至有刺)。這種動物沒有腦子──只有一圈神經從口腔周圍延伸到嘴部附近的觸手,也蔓延到全身。海參能伸出長長的卷鬚(tendrils,這是海參和海星共有的管足的改良版),吞下海床上的碎屑有機物。有些種類的海參,攝食用的管足可能像樹枝或神經元的精緻末梢一樣華麗又好看。

海參會伸出攝食觸手去捕捉水中的微粒,或是把攝食觸手插進砂裡找東西吃,然後排泄出乾淨的海砂。海參吃的是垃圾──或許正因如此,所以海參才有一股強烈的海味,使之成為中國和韓國等地廣受歡迎的珍饈。

海參是「底層攝食者」(bottom-feeder)──這詞也用來形容狗仔隊、發薪日放債人或專愛慫恿事故受害者興訟的律師,所以不大討喜。不過這詞的延伸用法其實是侮辱了各地的正牌底層攝食者。海參確實吃各種屍體和排泄物,但這並不是壞事,事實上,牠等於是為全球海洋提供了重要的清潔服務。海參清除水中、基質裡的廢物,然後拉出「乾淨」細緻的砂質底土。因此海參可說是海裡的蚯蚓,回收正在分解的物質,替海床鬆土。

近年來人們對海參的需求量增加,導致許多地方的海參數量減少,這也意謂著水中未消化的養分變多了。於是,海水的澄清度變差了──對於不得不游過渾濁水域的海生動物而言,大概就像吸進上海的霧霾一樣「健康」。這些額外的養分可能引發藻華現象,耗盡水中所有的氧氣,使魚類和其他海洋生物呼吸不到空氣而大量死亡。海床少了海參翻土,也會硬化,使得其他底棲生物無法在海床生存。

海參確實是海洋的工友。不過工友也常被稱為「管理員」,而海參確實有這樣的功能,會照顧牠們所在的海域。

可惜大自然裡並沒有「感恩」這回事。海參提供的服務雖然能嘉惠牠們的海中鄰居,但許多海洋居民卻視這種行動緩慢的柔軟生物為方便的速食。海參有幾種防禦獵食者的機制;有些種類的海參會從肛門噴出呼吸器官,讓呼吸器官在海水中漂盪;這些黏稠的管狀物覆著了類似肥皂的化學物質,對其他動物有害。不過海參終究不能每次覺得受到威脅就把肺拉出來,呼吸器官最多需要幾星期才能重新長回來。有些種類的海參會將自己埋進沙子裡,躲避掠食者──不過這過程很花時間,而且海參也無法永遠埋在沙裡。

海星和海膽是海參的親戚,但海參和牠們不同,海參生活在一個殘酷無情的世界,卻嚴重缺乏自衛能力。海星靠著骨片(ossicles,由碳酸鈣形成的骨質盤狀物)來保護自己,所以摸起來硬硬的。海膽的骨片融合在一起,形成尖銳的刺棘,警告掠食者離牠們遠一點。但海參的骨片似乎縮小得幾乎毫無用處。縮小的骨片讓海參可以擠進岩石裡安全的小角落或珊瑚的縫隙裡──牠幾乎可以把身體變得像液體那般擠進洞裡──但這種獨特的性質卻不大能抵擋尖牙利齒的攻擊。

幸虧海參有種隱藏的超能力。平常,當海參愜意地吞食海中碎屑或在礁岩上邊前進邊排泄時,這種能力並不明顯。但受到威脅(而且拉出肺也無效)的時候,海參會變硬,從玩具黏土那樣的稠度變成像硬梆梆的塑膠。這種軟體動物怎麼能用縮小的方解石骨片達到這種驚人成就,讓人百思不得其解。這問題困擾了研究人員數十年,因為海參用來適應環境的策略和牠們知名的棘皮動物親戚完全不同。

海參仰仗的不是牠們已退化的方解石骨片,而是那埋在表皮底下的細小膠原纖維網絡(也就是原纖維〔fibril〕)。這些原纖維彼此連結,形成遍布全身的支架,具有保護作用,就像一件皮膚甲衣。海參在柔軟的狀態時,任何施加於單一原纖維的壓力都能迅速傳送到柔軟的基質中,因此利器(例如牙齒)輕易就能刺穿。但原纖維彼此連結在一起之後,海參皮就有了結構和力量。就像建築的樑木──搖動一根樑木,所有的樑木都會動搖,因為力量會在相鄰的柱子之間傳遞。然而,雖然所有的樑木都會搖動,但結構本身不會倒塌。這些堅硬的單元連結在一起時,壓力會在結構中傳遞,安全地輸導開來。海參皮也是如此,膠原原纖維連接在一起時,會產生一種結構,可以安全轉移壓力又不會折斷或破裂。

但海參是怎麼辦到的?這個題目令許多海洋生物學家著迷,不過在材料科學界好像很少受到矚目,直到……凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)的一組旱鴨子研究人員在著名的《科學》期刊(Science)上發表了一篇論文,展示他們如何受到這種古怪的海生動物啟發,發展出一種可以切換軟硬狀態的材質。

史都華.羅文(Stuart Rowan)是凱斯西儲大學的教授,對他而言,這個研究計畫是個開心的意外。在那之前,他一直是高分子化學家,專門研究不同材質的工業應用,以及其他無明確目標的純理論研究。羅文成長於格拉斯哥(Glasgow)五十六公里外的特倫鎮(Troon),常在住家附近、蘇格蘭西海岸外的礁岩池探險。那些礁岩池裡充滿了蝦、蟹、魚和螺旋狀的螺殼,放眼所見盡是琳瑯滿目的大地色系,從海葵的紫磚紅色到岩石上包覆的海藻那種綠褐色都有。但他看過的礁岩池裡沒有海參──而事隔二十多年後,身處美國俄亥俄州克里夫蘭市的他,壓根兒就沒想過要研究這種古怪海洋生物的皮膚。

不過,羅文其實是這研究的理想人選。他在研究生涯中發明出幾種具有動態性質的物質──例如,曝露於刺激(例如光)之下就能自我修復的聚合物。這類材料愈來愈吸引相關領域人們的注意,過去他們總認為,物質一旦生產出來,就固定、不能再變化了。

羅文之所以能成功,是因為他的研究專長是所謂的「非共價交互作用」(non-covalentinteraction),專門研究原子之間比「共價鍵」微弱的鍵結。

來迅速複習一下:共價鍵利用共用電子來讓分子保持完整;共用電子的原子通常很中性,或是彼此的電荷相近。反觀離子鍵則是靠電荷固定在一起的:一個原子有過多的電子,帶負電荷;另一個原子缺了一些電子,因此帶正電荷,於是這兩個相異電荷的原子就像磁鐵一樣彼此相吸。就是這種鍵結把帶正電荷的鈉和帶負電荷的氯綁在一起,成為你餐桌上的鹽。這些帶電的原子(也就是離子)其實不像利用共價鍵結合的原子那樣共用電子,只是像一片片拼圖那樣拼在一起。共價鍵像婚姻關係──共用銀行帳戶、共用資源;離子鍵則像室友──住在一起但分房,財產也(大部分)分開。

(不過,這並不代表共價鍵一定比離子鍵強大,雖然我在中學學到的是這樣,但其實某些離子鍵可能比某些共價鍵強多了;鍵結強弱還是依不同的原子而異。)

非共價交互作用的種類也五花八門,羅文研究的正是這些,不過大多不在本書探討的範圍內。這章裡,我們會討論氫鍵──當共價分子的電子沒有被均等共用,而是聚集在該分子的某一側,便會形成氫鍵。這也代表,其中一個原子(在此處就是指氫原子)會稍微帶正電,而另一個原子(就是同分子中與氫相連的原子)則會稍微帶負電,於是這些原子便可以和其他有這種極性的分子產生微弱的鍵結。

羅文跟我說,非共價鍵(特別是氫鍵)是基礎生物程序(biological processes)的基石。

DNA之所以能形成雙螺旋,非共價鍵在其中扮演了關鍵的角色;非共價鍵斷裂、重新連結,DNA的兩股才能分離、複製然後再度結合。非共價鍵也能加速複雜蛋白質的折疊,而複雜的蛋白質是細胞生命的功臣,也是人體分子結構的磚頭和砌磚匠。

「幫助DNA形成雙螺旋的正是非共價鍵,在控制蛋白質的折疊過程中,它發揮了某些作用。」羅文說:「它的功能通常是可逆或者動態的──讓東西可以彼此相連,也可以輕易分開。那是很弱的鍵結,但也夠強了。大家有時喜歡用魔鬼氈來比喻──會黏在一起,但也能輕易分開。」

或許你並不想知道自己的身體細部其實持續不斷黏合又分開,但這樣的事此時此刻確實在發生。而且,這程序運作得順暢極了。

氫鍵讓身體可以做到各種事──生育、因應改變、下達指令。然而人造材質卻是死的、固定不動的。金屬永遠是硬的,橡膠永遠是軟的,這些材質唯一的改變是會逐漸分解。但若利用氫鍵來製造材料,這材料就能具備某種程度的動態性(dynamism),而那是少了氫鍵就無法辦到的事。羅文運用他在非共價鍵領域的專長,創造了各式各樣不同的材質──一種能進行「自我修復」防磨塗料,它的鍵結可以斷裂,使分子填補到縫隙中;感應到危險化學戰劑就會變色的材料;能記憶形狀的聚合物,就算被扭曲成奇怪形狀,只要加熱就能彈回原形。這些發明遠遠不及皮膚等等活體材料那麼厲害,卻有擁有了那些基本特質的一些面向──會對刺激做出反應,能模擬自我修復。

羅文擁有非共價鍵的專長,所以他的同事克里斯多夫.韋德(Christoph Weder,當時還是該系的教授)問他有沒有興趣參與一個特別的計畫。韋德從亞特.豪亞(Art Heuer)那裡聽說了海參奇妙的變形能力;而亞特.豪亞是該校另一種材料學系的同事,曾經短期研究過海參皮膚的特性,他想到韋德擁有聚合物的技術,或許真能做出那樣的材料。

羅文著迷極了。他回到自己的實驗室,開始嘗試不同的物質,但他和韋德遇到一個阻礙──他們要有個名目來製造這些材料。用來防彈的嗎? 或許用來做蝙蝠俠的斗篷,可以變成堅硬的翅膀?過了好幾個月,這問題仍然沒有答案。提出這問題是有道理的,因為當你腦中沒有明確的目標時(想不出可以用於軍事、醫療或其他商業用途的最終產品),很難說服人贊助你的計畫。

答案來得出乎意料,來自一個非常意想不到的地方:一場偶然的會議,會議的原本目的已經消失在記憶的迷霧中了──羅文說:「大概是工學院層級的研究委員會吧。」有些同事遲到了,羅文為了打發時間,於是和一個克里夫蘭榮民醫院來的科學家達斯汀.泰勒(Dustin Tyler)聊了起來。

「我們正在等與會人出現,所以隨口閒聊了幾句,我告訴他,我們有這種很酷的材質,但不知道要拿這東西做什麼。」羅文說。

泰勒馬上給出答案:「這非常適合做腦皮質植入物。」泰勒是任職於榮民醫院的生物醫學工程師,職業生涯中一直在發明和研究各種不同的方式來與大腦接合,尤其是用於截肢者的狀況。對他來說,那種材質的用處顯而易見;他們就此建立了合作關係。

羅文開玩笑道:「那是我這輩子參加過的委員會會議當中,唯一有用處的一場。

商品簡介

從自然界找科技解答,將成為未來進步的關鍵!

NASA、哈佛、喬治亞理工學院,傾力投入仿生研究,

全球製造與工業高峰會將「仿生科技」定為2019年會議主題,

美國FBEI研究所預估,2030年仿生相關產業將在全球創造1.6兆美元GDP。

從太空探索、學術研究,到製程改良、賺錢商機與永續社會,

師法生物智慧的新趨勢,將徹底改變你我的世界。

【各界學者專業審定】

李後鋒/中興大學昆蟲學系副教授

邱國維(K.C.)/東海大學建築系助理教授

陳柏宇/清華大學材料科學工程學系副教授

陳浩銘/台灣大學化學系副教授

焦傳金/清華大學生命科學系教授

「這書充滿細節,而且寫得很好。這些細膩的故事描述了各種關於生物啟發的創新,一般讀者一定會愛上,保證也會吸引研究學者和研發人員的目光!」

──Kirkus書評

◎什麼是仿生學(biomimicry)?

仿生學是指,藉由學習並模仿大自然來找到解決方法的一門跨領域科學,舉凡生物的型態、運作過程,乃至整個生態系統,都可以是人類效仿的對象。

◎為什麼我們要向大自然學習?

面對自然界的嚴苛考驗和資源限制,生物用三十多億年的時間演化出了成功的適存策略,不只自己生存下來,更讓世世代代子孫得以繁衍茁壯。反觀我們人類,卻舉著「進步」的大旗,創造各種出高浪費、高毒性且高耗能的科技,走上了能源耗盡與環境污染的末路。因此,想要解決問題、追求永續,大自然才是我們最好的導師。

「你可以把大自然看成一本產品型錄,裡頭的每樣產品都花了三十八億年來研究和開發。投入這麼多心血,(我們)拿來善加利用也是合理的吧。」

──仿生建築師 Michael Pawlyn

蛇是繩索狀卻能飛,烏賊是色盲卻能根據環境改變體色,

火蟻蟻群不怕大洪水,因為牠們可以一隻鉤一隻形成大球結構漂浮於水面……

生物的生存智慧迷人、有趣,而且充滿驚奇,

更重要的是,它將引領我們找到複雜問題的簡單解答。

(×)人類這樣設計迷彩:

淺色調、圖案小,形成等明現象,襯著背景更顯突出,等於在說:「請用槍打爆我的頭。」

(○)烏賊這樣設計偽裝:

善用均勻、斑駁及破碎三種基本變色模組,打破身體輪廓,成功躲避掠食者,並迷惑自己的獵物。

(×)人類這樣接義肢:

一種材質只有一種硬度,義肢的堅硬材質直接接在柔軟的人體上,皮膚和肌肉因長期摩擦而痠痛、感染,甚至組織退化。

(○)魷魚這樣固定自己堅硬的喙:

魷魚喙以蛋白質構成,可根據蛋白彼此的相連程度改變硬度,從齒尖到牙根逐漸愈變愈軟,可以與魷魚柔軟的身體無痛相接。

(×)人類這樣蓋房子:

單憑想像設計出不符合當地氣候、風向、日照等條件,又浪費建築材料的房子。

(○)白蟻這樣蓋房子:

每隻白蟻都是設計師兼營建工人,能因應風、聲音、濕度、土壤性質等當地特性,隨時挖掉或強化某些蟻丘結構,用最少材料蓋出最符合需求的房子。

搞懂葉片氧化水、固定二氧化碳的機制,可以如何革新我們的發電機制?

觀察滿林子的落葉,能如何啟發地毯設計師設計出更省材料、容易替換的地毯?

研究葉脈的熱傳導網絡,是如何幫助傳統塑膠工廠變得更有競爭力?

探索生態系中各種個體的競爭與合作,如何幫助我們規劃出更永續地球的都市?

科學最該致敬的對象,不是愛因斯坦,

而是地球上的每一種生物。

我們覺得自己很聰明,可以用科技解決所有問題,

殊不知其他生物早就找到了解答,

我們需要做的只是虛心去跟它們學習!

因為,科技始終來自生命的智慧。

作者簡介

阿米娜.汗(Amina Khan)

《洛杉磯時報》(Los Angeles Times)的科普作家。曾報導好奇號(Curiosity)降落火星,也曾探索廢棄金礦,尋找黑暗物質的探測器。曾代表《洛杉磯時報》在全國電視上討論健康與科學的議題。阿米娜.汗畢業於柏克萊大學,也是麻省理工學院的卡夫里奈米科學研究所(Kavli nanotechnology workshop)與加州大學聖克魯茲分校HiPACC計算天文物理挑戰營(HiPACC computational astrophysics boot camp)的校友。

譯者簡介

周沛郁

曾經臥底森林系,心裡效忠文學。寫論文的時候不忘偷讀小說,準備撤離。畢業後棄農從文,成為專職譯者,譯有《中年的意義》、《立志做一個高貴的羅馬人》、《植物博物館》、《邪惡植物博覽會》等多本小說和科普書籍。

作者自序

在由五本書組成的《銀行便車指南》(The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)三部曲裡,作者道格拉斯.亞當斯(Douglas Adams)寫到,海豚是地球上第二聰明的動物;最聰明的是老鼠。人類排行第三,敗在毛茸茸和有鰭的優勝者之下。

故事描述,亞瑟.丹特(Arthur Dent)這個倒楣的反英雄如何設法探索人類偶爾浮現的那種惱人、不自在的不安──懷疑我們沒有我們自以為的那麼聰明。我們通常會閃避、避免正視這種感覺。

不過,逃避真相會造成嚴重的後果。在《銀河便車指南》裡的世界,人類太過無能,因此沒注意到海豚拚命警告世界快毀滅了,人類以為海豚跳圈圈、旋身甩尾是很炫的海洋特技表演。於是,地球就因為擋到星際高速公路而遭摧毀了。

這部科幻經典之作顯然搞錯了一件事,而且錯得離譜。說到物種的智慧,人類的排名可能遠遠不到第三名。

這種不舒服的感覺,最早出現於我在洛杉磯帶小學生參觀加州科學中心(California Science Center)的時候。我是《洛杉磯時報》的科學記者,滿心期待孩子們能對科學留下深刻的印象。我在奮進號太空梭(Endeavour)前,跟瞪大眼睛的學生說我遇過那艘船的太空人。我故作鎮定地看著一個學生把手指伸進靜止而冰冷的觸摸池裡觸摸海星,但內心其實十分興奮。不過,就在此時,漣漪下有個古怪的形體吸引了我的目光。寶石色的海星和懶洋洋的海膽之間有個古怪的紫黑色螺旋狀物,恰恰是我的一個手掌大。

池子後面的志工跟我的八歲學生說:「那是鯊魚卵。」

我好奇地湊過去,差點把我女兒推擠到一旁。卵石之間擱著我遇過最大、最奇妙的螺旋狀物。它平滑的螺紋呈現細尖的錐狀,外殼堅硬但有彈性,彷彿洗澡洗了好幾個小時之後的指甲。

我從沒看過這樣的東西。從魚類到鴕鳥,許多動物都會產卵下蛋。蛋的曲線平滑,能分散力量,讓蛋不容易破裂。蛋不該是螺旋狀、三角形,或其他有棱有角的形狀。這種設計──我父親的工作檯上到處散落著類似的東西──讓母鯊魚能夠把她未孵化的寶寶嵌在岩石上,掠食者很難拔下來。那是行之百萬年的工程設計,只不過使用者不是人類。

這真相令人謙卑。人類很容易覺得我們位於創意金字塔的頂端──地球上充滿各種美麗、強壯或有一點點古怪的生物,而我們則擁有智能,一切美妙的事物都由我們隻手創造。

但就許多方面而言,我們都落伍了。自然不只和我們不相上下。自然領先我們四十億年,它超越人類才智的程度遠遠超乎我們的想像。

幾年前在一場流體力學的研討會上,我才驚覺這種無情的懸殊差距。原本看似枯燥無趣的題目,完全不是那麼回事。數千名研究人員聚集在長堤(Long Beach),解釋飛蛇的空氣動力學,和滿口尖牙的鯊魚皮膚的祕密。

從蜂鳥直升機到螞蟻爬行模式,在種種談話中,我發現科學家愈來愈仰賴生物世界的啟發與教訓──科學家努力了解看似奇蹟的現象,以從中發掘新的工程學奧祕,不過這不是什麼嶄新的創舉。人類觀察敏銳,過去顯然就曾從大自然的寶典中偷學到一兩招。喬治.麥斯楚(George de Mestral)從他的狗身上拔下緊黏不放的刺果之後,他對刺果超黏的特性很好奇,最後在顯微鏡下發現了刺果的彎鉤,於是發明出如今隨處可見的魔鬼氈(Velcro)。萊特兄弟觀察鳥類,設計出劃時代的翹曲機翼,他們的飛機因此可以像地球自然界的飛行員一樣安全轉向。

不過在我們文化中,這些例子只是短促、不連貫的亮點;自從工業時代在十九世紀進入高速檔之後,我們的文化幾乎都把自然視為要馴服、修正、推翻、忽略,甚至摧毀的對象。我們靠著把東西做得更大、投入更多能源和資源來解決大部分的技術問題。不論如何,這樣的作法是有效的。但幾世紀來漫不經心的消耗,讓我們幾乎走上了生態與製造業的絕路。我們逐漸接近工程學的某種極限,不再有唾手可得的成果。醫藥、建築、電腦運算等等有待解決的問題既複雜又棘手。此外,我們的原料也逐漸耗盡,而且我們不斷污染環境。我們靠著蠻力得到了今日的成就,但這種方式快要行不通了。

至少,研究人員開始注意到大自然是如何在我們無法突破的地方取得成功。生物學家開始發覺,他們對自然界的探索也能運用到其他領域。工程師也開始注意到,許多最棘手、最難解的物理問題,生物學家可能握有答案。這種思考模式在過去幾十年愈來愈蓬勃發展,我們稱之為「生物啟發工程」(biologically inspired design)。

這本書裡,我們會看到學科差異頗大的科學家聚在一起,想從生物學取經,拓展我們工程能力的極限。我們會從非常小的尺度(光合作用的化學作用)談到非常、非常大的尺度(生態系的原則)。全書依據四個主題分成四部分:材料科學、運動力學、建構系統和永續發展。每一章會探討一個領域,詳述該領域的人們在檢視自然如何超越我們現有的科技程度之後,所得到的各種新發現,並且可望有更多進展。我們將在本書裡探索前述的例子以及其他例子,探索我們如何運用自然的創新來改良人類科技,藉此把更多事情做得更好,而不只是更大。

我會追溯實驗室和野外科學家進行突破性研究的過程。我會和研究烏賊皮膚奈米特性的科學家一起透過顯微鏡觀看。我將前往聖加百列谷(San Gabriel Valley),國防高級研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency,縮寫DARPA)的工程師正在那裡測試新一代的類人形機器人。我也將和一群生物學家和工程師一同前往納米比亞,他們基於不同的理由投入研究散布在莽原間將近兩公尺高的白蟻丘。

這概念最初是以「仿生學」(biomimicry)一詞受到廣泛的矚目。一九九七年,珍妮.班娜斯(Janine Benyus)寫下《人類的出路:探尋生物模擬的奧妙》(Biomimicry: Innovation Inspired Nature)一書,為許多研究人員更具體地勾勒出這個跨學科的概念。聖地牙哥動物園國際組織(San Diego Zoo Global)在二○一二年委託調查的一份報告中指出,在十五年內,仿生設計佔美國國內生產毛額(GDP)可高達三千億美元,佔全球產值達一兆美元(以上皆為二○一○年的美元幣值)。仿生設計也可能減少數種天然資源的用量,並減少二氧化碳污染,替人類共同的荷包省下五千萬美元。該報告的作者群寫道:「仿生學可能成為改變經濟遊戲規則的重要角色。」仿生學的商業應用「可能在接下來的幾年中,讓大量的工業轉型,最後影響所有的經濟部門」。

現在我們明白,大部分的新發現不是盲目地大規模模仿自然而得,而是研究自然,在富有啟發性的細節上學習大自然最不為人知的祕密。自然界在不同的領域展現各種奧祕,而在其中許多領域裡,科學家對物理學的理解模糊不清,甚至有嚴重的誤解。南加州大學(University of Southern California)的工程學教授喬弗瑞.斯佩丁(Geoffrey Spedding)還說,沒研究自然的祕密,「就可能完全遺漏一種現象;不只會搞錯一點點,而是全盤搞錯。」

研究人員在仔細觀察後,得到了驚人的洞見。壁虎的腳利用凡得瓦力(Van der Waals force)的微弱交互作用,不須任何黏著劑就能黏在牆壁上。蛇調整繩索狀的軀體就能飛翔。菜豆的葉子能把臭蟲牢牢固定在葉面上(不需使用殺蟲劑),靠的是一排排兇狠的刺鉤,不過目前這種刺鉤尚無任何合成材料能夠複製。

這些看起來怪異而美妙的發現如今愈發重要,因為在資源日益匱乏的世界裡,我們得學著少用一點刺激性的化學物質、少產生一點廢棄物,追求永續的生存。而第一步就是,我們要知道其他生物數十億年來是如何以此方式生存,並且繁榮興旺。

有些研究人員已經打破生物學和工程學之間的藩籬,以革命性的方式找出他們如何彼此學習。那是劃時代的成就,可能改變世界的驚人結果不斷產生。

參加那個令人耳目一新的物理學研討會之後的幾年裡,我曾動筆寫下科學家如何從座頭鯨疙疙瘩瘩的鰭學到怎麼做出更好的風力發電機,他們又是靠研究水母做出人類的心臟模型。有些研究人員從蟻群學到如何控制交通、藉由研究生物來設計一座更理想的城市。

這一切都需要研究人員在思考時超越自己學科的範疇,和他們自己領域之外的人接軌。這原則適用於從奈米科技到都市計畫的各種尺度大小,而且影響無數研究與應用領域,包含醫療與建築等。由於可能涉及的學科和尺度的範圍極廣,因此研究人員和創新者想遵循某種指導原則,來發掘並應用生物機制所啟發的各種解決辦法,不是件容易的事。

對效率的追求,驅動了自然界的許多形態與功能,而這也是生物啟發工程最有價值的地方。之所以會有那些驚人的演化創新,往往因為資源有限,生物必須設法在嚴苛的環境裡生存,或是把現有的生物學怪癖重新發展出全新的功能(鳥當初就是這樣開始飛的──牠們的羽毛曾經不過是恐龍身上的裝飾品和隔熱物)。

所以,生物似乎比我們更了解流體力學的奧祕,而且非常擅於打造奈米層次的東西。在本書,大自然展現於各領域的長才會不斷出現。

如果需求真的是發明之母,那大自然就是所有發明家之母。雖然大自然無法產生輪子,卻創造了很像一回事的螺絲。信仰「生物啟發」的狂熱者說,一切的祕訣在於觀察大自然的策略並且學習──或許進一步加以改良。

只要多留心,我們能跟大自然學習的事情多到不可思議。《銀河便車指南》這本書我重讀了不知多少次;而且我從事衝浪活動,早就習慣了海洋的魅力。但我最近發覺,自己其實沒有謹記教訓,忘了海豚有多聰明。

佛羅里達州的某個早晨,我和其他衝浪手辛苦划過股股白浪時,我發現兩隻海豚在浪花前游蕩。我以為我們只是闖進了牠們正在獵食的魚群中,所以沒留意牠們。這時一道大浪逼近──大到短板的衝浪手沒人敢乘上那股浪。

海豚面對著海灘一一列隊,鼻子往下傾,讓浪尖帶著牠們升起、前進。我笑得合不攏嘴。牠們在衝浪呀──像最老派的專業衝浪手一樣。如果海豚有腳趾,牠們應該會站在衝浪板前端,做出十趾探出板外的標準動作。

那對海豚出發的時候,第三隻海豚躍過牠們上方,像要強調什麼。

或許海豚是想傳達某種訊息。不過我很確定,牠們的訊息大概和世界末日無關,可能比較接近這樣:「你們這些外行人,海藻都游得比你們好。」

但如果我們留意海豚、鳥類和其他大自然告訴我們的事,或許能在還有機會的時候,想出怎麼拯救地球(和我們自己)。

仿生設計大未來:人類進步的下一個關鍵
Adapt: How Humans Are Tapping into Natures Secrets to Design and Build a Better Future
作者:阿米娜.汗(Amina Khan)
譯者:周沛郁
出版社:如果出版
出版日期:2019-04-24
ISBN:9789578567177
定價:450元
特價:79折  356
特價期間:2019-10-01 ~ 2019-12-31其他版本:二手書 71 折, 321 元起