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大自然的啟示 柴希文 南亞技術學院土木工程系副教授 |
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摘 要 壹、前 言 貳、大自然的啟示 一、仿生學（Biomimetics,or bionics, or biognosis） 二、土木工程 三、結語 參、參考文獻 |
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摘 要 去年日本愛知博覽會的主題為「自然的睿智」，而英國Bath大學和Reading大學在仿生學（Biomimetics）有許多突破，均是起因於對大自然奇妙生物之研究，而學習其優良的設計而應用於人類其他的工程。21世紀為Biotechnology之世紀，生物科技正迅速興起。本篇論文簡述了英國仿生學一些研究之內容如松果效應、蓮花效應、朋馳仿生概念車及大自然一些「神奇的平常事」以顯示其中的奧妙。 關鍵詞：仿生學、蓮花效應、自然的睿智、設計、大自然的啟示
壹、前 言 大自然的奧秘，一直是人類探索的目標，同時也是人類學習的對象。人類許多發明都起源於大自然的啟發。如雷達和聲納的發明即來自於對蝙蝠和海豚的研究；軍事的迷彩即模仿動物的保護色，而以動物為師設計出來的機具或機械人，謂之仿生機械。21世紀為Biotechnology之世紀，生物科技正迅速興起。而英國Bath大學和Reading大學在仿生學有許多突破，均是起因於對大自然奇妙生物之研究。
貳、大自然的啟示 大自然藉著閃電暗示有「電」的存在，藉著蘋果落下暗示有「萬有引力」的存在，藉著天空地面,形形色色,壯麗奇觀又微妙的萬物啟示出其奇妙的智慧。去年日本愛知博覽會的主題為「自然的睿智」。宇宙萬有充滿了智慧，正等待你我去發掘、去認識、去應用。 一、仿生學（Biomimetics,or bionics, or biognosis） 仿生學的定義乃是從大自然中抽取其優良的設計而應用於其他的科技如工程、設計等（Taking ideas from nature and implementing them in another technology such as engineering, design, computing, etc.）[1]。大自然中有許許多多奇妙的設計，自然工作的法則是以最少的努力而獲得最大的成效。如蜜蜂以最節省材料的方式建造牠們的蜂巢(容積固定,表面積最小)，樹木枝葉及根會依據周遭的環境而生長，骨骼則會生長在其最需要強度的地方。珍珠母的蚌殼95%由白堊所組成，但性質卻比白堊堅韌500至3000倍[2]。鹿角的骨骼比任何人造的陶瓷複合材料還堅韌[3]
簡述仿生學數例研究成果如下： （一）松果效應（Pine cone effect）[4]
松果隨空氣中的溼度變化展開或閉合，英國即利用此種靈感開發出智慧型織物，當人體流汗時織物中許多微小通氣窗會自動打開通風使人感覺涼爽舒適。 蓮花自古以來即以出污泥而不染廣被傳頌，如圖一所示。經科學研究發現與蓮葉表面之構造有關，見圖二。如今科學家即模仿其構造製造出具有自淨能力之織物。
圖一、蓮花出污泥而不染[5] 圖二、蓮葉自淨能力
（三）鯊魚皮減阻效應
鯊魚皮並非想像中那樣光滑而是相當粗造，其v型紋路可有效消除水之阻力，科學家已利用此原理以減少船艦航行之阻力。 （四）螞蟻的搬運[4]
科學家研究螞蟻對其擄物的搬運解決數據傳輸時衝突的問題。 （五）壁虎的爬牆能力[4]
自古以來壁虎的爬牆能力對人就是一個奧秘，現今經科學家的研究發現其秘密乃在其腳毛，具有自潔的能力，故能重複使用仍然具有黏性，科學家據此開發出可重複使用的壁虎膠帶，若人的手貼滿此種膠帶，便可像蜘蛛人一樣可爬牆。 （六）太陽能的利用-光合作用(Photosynthesis) 能源危機導致人類尋找新的能源。從傳統的水力、火力、核能、地熱、風力、潮汐以致太陽能。發現其中最乾淨的就是太陽能。但最早利用太陽能的乃是植物的光合作用。沒有光合作用，人類便不可能有食物吃。光合作用是植物、藻類和某些細菌利用葉綠素，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉化為葡萄糖，並釋放出氧氣的生化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產者，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存能量。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物所貯存的能量，效率為30%左右。這個過程是幾乎所有生物界賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循環，光合作用是其中最重要的一環。[6]
（七）朋馳仿生概念車[7] 德國朋馳汽車公司研究如圖三之箱魚（boxfish）的空氣動力模型（圖四），發現其魚皮由許多六角形之骨片所組成，以最輕之重量提供了最大的強度，使其免於受傷。朋馳研究人員根據箱魚骨骼形成之原則（圖五），開發了仿生概念車，見圖六。與傳統車輛相比，仿生車可減輕三分之一之重量，但仍具有相同之剛性與安全性。
圖三、 Boxfish 圖四、仿生概念車空氣動力模型
圖五、 仿生概念車骨架 圖六、 朋馳仿生概念車
（八）再生利用 大自然數千年來，一直維持著奇妙的平衡與循環，例水文的循環，食物鏈的循環，空氣的循環，大自然中並無所謂的廢棄物，例動物的排泄物，乃植物的有機養分；植物光合作用所產生之氧氣，可供動物呼吸所需。可是人類許多的發明都無法再生利用，且對環境有害，實在應該謙卑的多向大自然學習。
二、土木工程
土木工程上許多的應用，其觀念均亦來自大自然，簡述數例如下： （一）拱（Arch）及殼結構（Shell Structure） 世界各地均存在天然之石拱，例如圖三所示。拱在力學上只承受壓力，在古代因缺少良好的拉力材，故拱在土木建築上應用繁多。從最早中國的趙州橋（圖七），至羅馬時代的拱門（圖八），至美國聖路易市的現代之拱（圖九），乃起源於天然之石拱。
圖九、羅馬拱門[10] 圖十、現代之拱(美國聖路易)[11]
殼結構，仿造大自然貝殼（圖七）的簡單結構模型，卻有著非常複雜的力學計算，不僅美觀，更可節省許多工程材料，適用大跨度大面積之結構體（圖八）。
圖十一、貝殼[12] 圖十二、殼結構[13]
（二）柱 等斷面積的中空柱較實心柱，有較大之迴轉半徑（radius of Gyration），有較強抗挫屈之能力。大自然中的竹子，或動物、鳥類的骨骼亦都為中空，且箱形鋼柱的橫隔鈑相當於竹子的竹節。
（三）壩工 水獺（圖十三）築堤給人類築壩的靈感（圖十四）。
圖十三、水獭[13] 圖十四、翡翠水庫之拱壩[14]
（四）纖維加勁工法 最早的纖維加勁工法（圖十五）可見於南美洲一種小鳥（Hornero）以稻草加勁之黏土築巢。現今混凝土可視需要添加各種纖維如鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等以增強混凝土抗裂的能力
圖十五、最早的纖維加勁工法
（五）潛盾(Shield)及隧道鑽掘機（Tunnel Boring Machine T.B.M）
圖十六、地鼠(mole)[18] 圖十七、雪山隧道之TBM
圖十八、雪山隧道TBM之預鋳環片[19] 圖十九、潛盾
（六）生物科技與污染防治 以生物科技來從事環境工程的污染防治，乃源自大自然奇妙自淨的能力，例如厭氧醱酵法處理有機廢棄物之技術，即利用厭氧性微生物的作用，把生垃圾有機物分解為沼氣、二氧化碳等氣體[20]。
三、結語 大自然充滿了神奇的平常事，啟示出造物者的智慧,自古以來一直是人學習的對象。我們平常許多視為理所當然的事，實際背後隱藏著絕佳的設計。科學愈進步,愈能發現其中的奇妙。向大自然學創意乃是仿生學主要內容。本篇論文所述內容，不過是浩瀚宇宙中的一粒塵沙。在我們週遭的大自然今天依然充滿著智慧等待著我們去發現、去學習、去應用。
參、參考文獻 1. www.bath.ac.uk/mech-eng/biomimetics/about.htm 2. www.bath.ac.uk/mech-eng/biomimetics/newmats.htm 3. www.bath.ac.uk/mech-eng/biomimetics/smartnat.htm 4. 創意仿生奈米研討會，高應大，2005年7月 5. www.ecodesign-beispiele.at/ data/art/40.jpg 6. zh.wikipedia.org/wiki/光合作用 8. www.cagesbydesign.com/accessories/ backgrounds 9. www.jsdj.com 10. www.bluffton.edu/~sullivanm/ titus/titus.html 11. www.lupo80days.com/ etappen/stlouis/stlouis01.jpg 13. Lambert Saint Louis International Airport Terminal 14. www.whwy.org/zrzy/ystw/zdbf/dw_014.htm 15. www2.ctps.tp.edu.tw/country/ geo/geo_c/geo_c_04.htm 16. P. Kumar Mehta, Concrete Structure, Properties, and Materials 17. 廖銘洋，潛盾隧道工程之歷程與展望，台灣營建研究院，1998 18. www.letus.org/bmatters/animals/mole-rat.html 19. www.taneeb.gov.tw/.../ img/18-157.jpg 20. 後騰雅史、白松雅文，厭氧醱酵法處理有機廢棄物之技術，日本土木學會誌 Vol. 89, No. 4
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