知　■　識　■　饗　■　宴

您不知道的早知道仿生學

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主講人／李旺龍2008年5月27日

■簡介■

李旺龍博士

成功大學機械工程學系學士（1987）、碩士（1989）、博士

（ 1 9 9 5），曾任高雄應用科技大學（原高雄工專）副教授

（1996-1999）、教授（1999-2007）、系主任（2001-2004），期間

並曾兼任該校教育部產學合作中心副執行長（微機電精密機械領

域）（2003-2004年1月）及國立科學工藝博物館籌備處說明文審查

委員。自2007年8月起任職於成功大學奈米科技暨微系統工程研究

所副教授，2008年10月起並兼任成功大學微奈米科技研究中心技術

推廣組組長。

研究領域為微奈米力學及磨潤（含：超高密度資料儲存系統分析

（硬碟機、近場光碟機）、潤滑理論（空氣潤滑、流變學、流體潤

滑理論）、微系統模擬分析（微加速規、微流道））。研究之餘也

從事科學教育，如「哈利波特的魔法掃把」以及承辦國科會科教處

在高雄國立科學工藝博物館舉辦的「週日閱讀科學大師」系列科普

講座，相關影音資料可以參考網址http://science.nchc.org.tw。

與仿生結緣於2004年、2006年2次前往英國與巴斯大學機械系Julian

Vincent（Professor in Biomimetics）短期訪問，期間並執行國科會

科教處的奈米仿生科普教材製作，參考網址 http://science.nchc.org.

tw/old_science/science/nano_bio_inspiration/index.htm。

自然早知道—仿生學◎33◎

引言

　　「如果海會說話，如果風愛上砂，……。」人們常常

以擬人化的角度去賦予周遭環境以及生物具有類似人們的能

力；人們又常常歌頌自然的偉大，讓許多生物具有我們所望

塵莫及的卓越能力；人們也常常到處開墾、鑿山造路，訴說

著「人定勝天」的期待；但是人們是否發現這一切真如其一

廂情願的想像？世界怎麼運轉真的是依自然的控制嗎？生物

的卓越能力真的是與生俱來嗎？當雪山隧道從開工鑿穿到通

車，在展現工程實力的同時，卻也有大量的高品質淡水隨之

流失；人定勝天造成的災害也給人們一些反省的機會。是要

歌頌自然還是要人定勝天？自然的跟人造的誰好？文章中不

見得能夠有明確的答案，但是需要的是大家對於環境的欣賞

以及觀察入微，當你每天習慣看著的一幕突然間造成你的靈

光一閃（當然我不認為那是突然間的創意浮現，而應視為你

日有所思夜有所夢的成果），給了你很多的想像時，歌頌自

然之聲再起。

"How many times it thundered before Franklin took the

hint! How many apples fell on Newton's head before he

took the hint! Nature is always hinting at us. It hints over

and over again. And suddenly we take the hint"

~ FROST, ROBERT LEE（1875-1963, Poet）

知■識■饗■宴◎34◎

　　如果自然做好所有的設定，讓生物可以面對未來，那也

一定留了一絲線索給人們，甚至是滿滿的全世界的線索，每

天面對著我們，每天設法的去向我們提示它們的存在，縱使

該線索答案所屬的問題我們都還不清不楚的，甚或尚未定義

出來！因為是早就存在的，所以可以說是「New but Old!」

也可以說是「Things you didn't know you knew!」「早知道用

功一點，就不會不及格。」「早知道小心一點，就不會出這

種事。」人們每天開口閉口說著許多「早知道」，通常是希

望時間能夠倒流，只可惜時間之箭並不會回頭。不過，另外

還有一個「早知道」，就是天天在我們身邊、習以為常卻常

常受到我們忽視的「自然」。人是習慣的奴隸，習慣每天日

月星辰、山水風雲、蟲鳴鳥叫，習慣周遭事物的存在及演

化，而我們每天又有很多事要煩要忙，往往無暇注意在周遭

隨時給我們很多暗示的「自然」。其實自然時時刻刻展現她

豐富的演化成果，直到我們突然間驚鴻一瞥、靈光一閃，才

終於注意到這大太陽底下存在許久的新鮮事。

從自然界合法「剽竊」設計及想法

　　仿生學可以粗略的定義為：從自然界合法「剽竊」許多

設計及想法，應用來改善人類技術；或說是受自然的啟發，

藉由了解其運作機制，去開發新技術解決問題。其實自然並

不完美，自然界的演化過程偶爾有一些小錯誤發生，偶爾發

生了突變，就是這麼悠閒地隨著時間長河慢慢前進，演化到

自然早知道—仿生學◎35◎

現在這步田地。不過，若將這一大段演化時間視為1年，那

麼自有人類出現到現在，大概只過了不到1分鐘，因此人類

的技術發展確實需要好好學習大自然的演化成果；而自然的

演化設計若經過人類技術的改進，必將產生不少趣味，只是

這種「虛擬改進」在創意之外，尚存在著太多的未知。雖然

大自然不完美，而她有的是時間，所以我們可以看到這些多

年演化之後的成果（只有冠軍的物種才能夠延續下來），但

卻苦於無法系統化的跟大自然學習。雖然我們天天看到，但

常常會讓我們繞了一個大圈子，才發現解答就在身邊。

　　樹葉利用氣室中許多微小的氣孔使得水分得以蒸發，

以如此精巧的方式擺脫水氣，如果人們穿的內衣有如此技

右圖：松樹毬果的鱗片因濕度的變化來打開（濕度低）以及關閉（濕度高），藉以

釋放出種子；左圖：英國巴斯大學仿生學教授Julian Vincent在日本愛知博覽會上展

出的聰明衣(smart cloth)。（資料來源：Julian Vincent）

知■識■饗■宴◎36◎

術將可以在保暖之外也可以保持乾燥以及通風；松樹毬果

的鱗片也藉由濕度的變化來打開（濕度低）以及關閉（濕

度高），藉以釋放出種子，我們的衣服如果可以有相反的

功能在濕度高時會有鱗片的打開濕度低時關閉鱗片，這是

英國巴斯大學仿生學教授Julian Vincent在日本愛知博覽會

上展出的聰明衣（smart cloth）；滴水在有角蜥蜴外表皮

上會完全被吸收，讓我們想到可以開發吸汗能力強的運動

衫；看到蒲公英的種子落下，會讓人想到降落傘？植物的

葉片以及種子的外型有助於隨風飛揚而達到傳播的目的，

也讓人在飛行上有著遐思；蜂鳥以每秒15次到80次快速拍

打翅膀而懸停在空中，靈活的操控及盤旋能力是直升機設

計追求的目標，牠同時也是美國直升機協會的LOGO；蜜蜂

以最少的材料建造出強度足夠的蜂窩、大嘴鳥質輕的大嘴

以及小鳥的中空骨骼設計，都成為飛機工業學習的對象；

樹葉努力追尋葉縫中遺漏過來的陽光成長，而形成樹蔭，

讓我們想到太陽能板加裝追日功能將會提高效率？陽光下

Morpho蝶的光彩顏色是翅膀鱗粉的多層次週期性微結構

所組成的，人造的織布有如此艷麗嗎？會編織的蜘蛛吐絲

器在電子顯微鏡下看起來就像機械式抽拉銅線時的模具一

樣，如何大量生產這種比蠶絲還強韌且高品質的人造絲？

白蟻窩維持通風以及恆溫的功能也被辛巴威的建築物學

習；啄木鳥緊抓著樹木在啄樹洞當樹醫生，不會腦震盪的

能力，也可以引發電動鐵鎚的設計；攀岩需要摩擦係數大

的鞋底，常在懸崖邊駐足的山羊足蹄就具有此功能；筷子

自然早知道—仿生學◎37◎

（夾食物）是跟小鳥的喙（啄食物）學習的嗎？猩猩會找

有維他命的植物食用。

　　蛙鳴蟲吟看似和諧其實是競爭，是雄蛙（蟲）為了證

實自己的優秀以吸引優良品質的雌蛙（蟲）交配繁殖；電

影海角七號中，大大的母親與鼓手水蛙在喜宴上有關水蛙

暗戀機車行老闆娘的對話中提到了青蛙是一妻多夫制的；

昆蟲也是如此，雌性昆蟲則具有可以選擇精子的能力，雄

性昆蟲則不是省油的燈，也會藉由精子的傳遞去縮減雌性

的生命。小小的沙漠甲蟲疣狀的背部，除了讓想吃牠的小

鳥食慾大減之外，也因為凸起表面的高親水特性及凹下部

分的疏水特性雙重特性組合，讓牠在沙漠中可以背部迎著

晨曦蒐集水分並以怪異的姿勢將蒐集的水滴引導到口中解

渴。當我們將除濕機開了一整天，耗了許多的電能才收集

到少許的水分卻要耗掉大量的能源，是不是可以跟甲蟲學

習做出低耗能的除濕機？潛艇構想是受到鸚鵡螺的啟發，

其螺旋狀殼的內腔由隔層分為30多個殼室，決定了鸚鵡螺

的沉浮，這也是為什麼世界上第一艘蓄電池潛艇和第一艘

核潛艇被命名為「鸚鵡螺號」。鸚鵡螺的頭足類親戚章

魚、烏賊就具有鸚鵡螺所沒有的體表色素細胞藉由色素細

胞的張縮來改變體色，藉此來隱蔽自己及攻擊（捕食）敵

人。變色龍以及墨魚的變色系統是不是可以學習做出低耗

能的紅綠燈，以及取代現有的汽車隔熱貼紙或是電致變色

車窗？