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期末小書 -- <" 夜行者 " 蝙蝠的回聲定位 >
仿生科技概論
測量系 104 級學號 :F64001062姓名 : 鄭豪指導教授 : 李旺龍
仿生科技概論
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蝙蝠的回聲定位
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仿生學
他是科學技術和生物學的
一個交叉的學科,從更廣
泛的意義來講呢,它實際
上就是把生物或是說更廣
泛的一個生物群體,他們
在很多的一些生理特性比
如說他們捕食、躲避危險
包括隱藏,有自身生存能
力的很多拿手絕活或是說
獨樹一幟的這種本領把他
單獨的凸顯出來而把這種
性能應用在設備或用品的
某種特殊的領域,從而給
人類科技帶來革命性的這
樣一個效果。
壁虎的吸附力
蜘蛛的網子
響尾蛇的熱定位
上課的範例 --( 壁虎 )
如何從生活中思考仿生科
技對於人類生活發展的影
響?我們可遵循以下步驟 :
步驟一 : 觀察多去觀察我們周遭所發生
的現象,儘管看起來多麼
不起眼,有些現象還是暗
藏著許多大自然的智慧。
在壁虎的這個例子中,就
是觀察他飛簷走壁的本領
才有對育壁虎附著力的研
究。
觀察壁虎的行為
步驟二 : 推測由於壁虎在過去的黏著力,
備受矚目,其原因已有多
種揣測:分泌黏液、真空
吸引力、靜電吸引力、摩
擦力、微交錯作用、凡得
瓦爾力、毛細管作用力等
七大假設。
步驟三 : 分析◎分泌黏液─我們從未看
過壁虎爬過後留下痕跡,
因此此假設被打破。
◎真空吸引力─真空吸引
力大小與週遭的大氣壓力
有關,但是壁虎在不同大
氣下,其附著力卻依然支
撐著自己的重量,因此也
打破了此項說法。
◎靜電吸引力─此為兩非
導體物質之間之價電子轉
移,使其電性相異而產生
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靜電效應。但此想法後來
被迪歐特的實驗打破。它
利用 X 光隊空氣離子化,
使空氣充滿正負電荷,排
除壁虎利用靜電吸引力的
可能性,但壁虎在此狀態
下依然保持其原有的附著
力,因而推翻此說法。
◎摩擦力─研究指出,此
對壁虎之附著力為次要因
素。再說,當壁虎於天花
板倒掛行走時,力量作用
方向與表面垂直,因此磨
擦力的說法是不可能的。
另外,奧特姆教授利用光
滑高梳水性的晶圓對壁虎
作測試,壁虎依然吸附其
晶圓上,如此便完全地打
破了磨擦力的說法。
◎微交錯作用─此為迪歐
特提出,但相同地在奧特
姆教授的晶圓實驗下,驗
證壁虎附著力與表面粗操
程度無關的事實。
◎凡得瓦爾力─又稱為倫
敦力。其力量在巨觀下常
被忽略,但此現象就好比
一堆不具磁性的鐵塊,其
中一塊突然自行磁化,連
帶週遭的鐵塊產生連鎖反
應造成彼此間之吸引力。
因此凡得瓦爾力在自然界
中無所不在,而當兩物體
距離極近時,則產生意想
不到的作用。甚至成千上
萬的凡得瓦爾力同時出現
時,其力量不容小覷。而
胡貝爾博士透過原子力顯
微鏡技術,利用力量與距
離曲線,決定壁虎匙突之
附著力,成功重現壁虎剛
毛附著力量,並支持凡得
瓦爾力作為壁虎主要黏著
機制的說法。
◎毛細管作用力─另外,
胡貝爾博士嘗試在不同濕
度下集鄉一疏水性材料表
面,對壁虎匙突進行黏著
力測試。同年,諾依齊博
士與其同僚也透過原子力
顯微鏡的方式針對匙突處
於多種濕度下及水中的力
量作測試,最後都說明其
黏著力也受溼度和所接觸
表面的材料疏水性影響,
毛細管力量也起了相當程
度的作用。與凡得瓦爾力
有點不同。
步驟四 : 總結總結以上七項說法,似乎
原因為凡得瓦爾力及毛細
管作用力造成,但奧特姆
教授發現,壁虎腳上那些
由天然 β 角質剛毛聚集成
的整體表面,具有接觸角
及高的疏水特性。並在兩
疏水性極端不同的接觸表
面測量到黏著力帶來的作
用力,但因為凡得瓦爾力
可以在兩個疏水性及高的
表面作用,因此奧特姆認
為是因為大面積接觸下的
匙突才造成如此獨特性質。
但其認為這不足以證明,
還有矛盾。最後亞斯特博
士的研究中得到解答。一
般來說,兩平面接觸時並
非完全貼平接觸,因此接
觸部分似許多微小區塊。
普通表面充滿溼氣環境下,
水氣慢慢凝結於此,造成
表面像被膠水黏住般,此
為「毛細水橋」。在濕度
低時,水橋不會出現,但
在濕度高時,其水分子也
不會超過兩層的厚度,也
不會出現水橋,因此亞特
斯認為毛細作用力不存在
於壁虎黏著力中。甚至才
猜測其水分子的增加與凡
得瓦爾力之鍵結有關。因
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此,綜合以上論點與實驗,
我們可以說,壁虎之黏著
力主要藉助於凡得瓦爾力。
步驟五 : 聯想與應用應該有很多人看過不可能
的任務 4 吧 ! 其中有一幕
就是阿湯哥帶著壁虎手套
爬杜拜塔吧 ! 這就是一個
很好的例子
阿湯哥帶著壁虎手套
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蝙蝠的回聲定位
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蝙蝠的回聲定位
步驟一 : 觀察我們常常可以在電視中看
到在山洞中有許多的蝙蝠
棲息於此,而我們又了解
蝙蝠為夜行性生物,住在
漆黑的山洞又是在夜晚活
動,蝙蝠如何去判斷方向
呢?
蝙蝠生活在漆黑的洞窟中
步驟二 : 推測
我 們 可 以 推 測 可 能 是 : 視
覺定位、複眼定位、嗅覺
定位、紅外線熱定位 、鬍
鬚感測、或是回聲定位
步驟三 : 分析◎視 覺 定 位 ─ 我 們 已 知 在
這麼暗的環境下,不可能
是 用 視 覺,askNature 的
實驗證明蝙蝠在沒有光線
的情況下也準確捕捉到獵
物,因此此假設被打破。
◎複 眼 定 位 ─ 原 因 同 上,
再加上蝙蝠跟沒有複眼,
因此也打破了此項說法。
◎紅 外 線 熱 定 位 ─ 這 種 定
位方法為一些特殊的蛇類
所擁有,他們在兩頰的部
位有一個凹下去的地方,
我們稱為頰窩,而這個部
位其實有一個非常精密的
熱定位功能,而貶幅沒有
這種類似的器官,在加上
由食物的來源推測蝙蝠的
食物來源多為冷血動物或
水果,因此也沒有必要用
熱定位,並打破了此項說
法。
頰窩有熱定位的功能 ( 紅圈出 )
◎鬍 鬚 感 測 ─ 為 海 豹 利 用
極度靈敏的鬍鬚來偵測魚
兒游動所產生的細微水流
運動,而我們在蝙蝠的圖
片 上 也 幾 乎 沒 有 看 到 鬍
鬚,因此也打破了此項說
法。
◎回 聲 定 位 ─ 蝙 蝠 的 視 力
退化,眼睛也慢慢變小,
但相較於其他器官,如有
一些種類的面部進化出特
殊 的 增 加 聲 音 接 收 的 結
構,如鼻葉、臉上多褶皺
和復雜的大耳朵。,因此
此項說法最有可能。
鼻葉、臉上多褶皺和復雜的大
耳朵
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步驟四 : 總結
總結以上六項說法,似乎
是 回 聲 定 位 是 最 有 可 能
的,但在上網查到的資料
中卻有一些例外的,少部
分體型較大的蝙蝠視力並
未退化,所以還是用視覺
定位,但大部份的蝙蝠還
是用回聲定位的較多。
蝙蝠的回聲定位加上眼鏡
步驟五 : 聯想與應用
我們最常見的例子就是倒
車 雷 達 了 吧 ! 許 多 人 家 都
有在車後加裝此器具,而
其功能就像是蝙蝠在用回
聲定位判斷與障礙物的距
離 的 道 理 是 一 樣 的, 另
外,蝙蝠在黑暗中飛行就
像是盲人在行走一般,我
們是否能運用回聲定位在
幫助盲人判斷方向,這也
是一個非常棒的想法。
人們不再需要導盲犬了
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