破解動物忍術：如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人

引言   動物運動的世界
第一章 水上行走
第二章 沙中游泳
第三章 飛蛇之形
第四章 睫毛與鯊魚皮
第五章 死魚游泳
第六章 雨中飛行
第七章 大腦主宰
第八章 蟻群是流體還是固體？
結語   動物運動學的未來

 

推薦序

師法自然的武功秘笈：仿生設計的永續靈感搖籃

國立中興大學物理學系副教授   紀凱容

　　我和本書作者胡立德 (David L. Hu) 教授結識於2007年，當時邀請他來臺灣，擔任第一屆生物物理研習營的講者。2015年，他和門生楊佩良博士探討為什麼大象和狗狗尿尿的時間一樣長的「21秒排尿法則」研究，獲得搞笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize) 的「殊榮」，而今 (2019) 年，他們再度獲獎，主題是：「袋熊的便便為什麼會是立方體？」

　　這些乍看令人發噱的研究主題，其實內容同樣地令人驚豔，在學術界得到不少迴響。但是有的政治家顯然不太喜歡這麼「重口味」的研究，2016年美國政治家評選的  「最浪費國家經費的二十項科學研究」名單中，胡立德教授與他的團隊就貢獻了三項。不過這些批評並沒有打擊這個好奇又無畏的科學家，反而讓他意識到的確有必要向社會大眾（也包括那位政治家）說明為什麼動物學研究值得投資：因為能促進人類福祉。怎麼說呢？

　　自古以來的「師法自然」思維在21世紀有個新名字，就叫做「仿生學」(Biomimicry)。倘若能破解生物生存適應的法則，就有機會突破當前科技發展的瓶頸。人類喜歡看會動的東西，也喜歡製造會動的東西，看到其他動物「異於常人」的運動能力，便想運用在機械設計上，提昇工作的效率。在機器人學與人工智慧蓬勃發展的今天，「動物如何運動」便成為當今科學界潛心探究的對象。而這本書談的，正是動物運動學與未來機器人的交會。

　　～～～～～

　　動物運動學是「生物力學」(Biomechanics) 的分支，即便我們沒太多機會上正課，但這肯定是日常生活中最有感的「實驗課」：每天睜開眼睛、翻身、起床、走路、如廁、覓食… 這一連串的肢體動作，都涉及力的作用。每當進行科普演講，與來自不同背景和年齡層的聽眾分享生物力學的故事時，常會得到以下的提問或回饋：

　　「如果小時候的物理課（或生物課）這麼上，我就不會那麼怕物理（生物）！」
　　「那麼多有趣（奇怪）的研究靈感怎麼來？」
　　「有沒有推薦的中文科普書？」
　　而今，《破解動物忍術：如何水上行走與飛簷走壁？動物運動與未來的機器人》這本書正好可以同時回應以上的問題與需求。

　　～～～～～

　　這不是一本科學家傳記，而是許許多多的小傳。作者將科學家的面貌從幕後移到臺前，以偵探或冒險小說手法，帶領讀者身歷其境：喜歡釣魚的大男孩，如何成為死魚居然會游泳的發現者？離鄉背井赴美深造的印度理工學院學生，如何開始研究蟑螂，進而設計出耐壓的微型機器人，好穿梭在地震災區的瓦礫間，尋找生命跡象？邊讀邊讚嘆「小強真強！」，但同時也發現牠們還是有罩門的。剛完成水黽研究的新科博士生，如何轉而玩起蛇來？這是2007年沒能當面問作者的問題，也在書中得到解答。作者仔細描述蛇鱗的精妙，並用滑冰來比喻蛇的運動，讓我再度卸下對蛇的恐懼，以美學和生物力學來欣賞這群神奇的動物！

　　飛蛇如何在空中「游泳」？砂魚蜥如何在流沙中穿梭自如？蚊子如何不被雨滴給撞飛？火蟻大軍又如何越獄？… 故事情節有如偵探或冒險小說，疑惑與意外接連，直到終能破解謎題時的「啊哈～」時刻。書中有許多「史上第一回」的里程碑，也有「居然可以這樣用！」的驚嘆，另外。此外還有，  諸如研究人力哪裡找、跨領域團隊怎麼合作、市面上沒有合適的儀器設備怎麼辦、如何跟怪奇動物打交道、社會有什麼資源… 等給本行學術人的求生指南。這些不只是有趣的動物運動學故事，也往往能解決當今的工程或醫學問題，促進人類福祉。

　　～～～～～

　　有別於其他動物運動學相關書籍，本書不以生物類群或運動模式等表象來分類，而是以所涉及的物理學原理區分章節，這有助理解物理學在探討生物系統時的廣用性。讀者將與歷史同行，見證邁入本世紀之際「動物運動」如何開始吸引更多工程或物理學家，共同尋找節能與高效率的新方案。在受到生物啟發的同時，工程學家所提供的構想與技術，也成為復興動物運動學的轉捩點。無論是相關領域的初心者，抑或是教學/研究者，都能從書中得到啟發。

　　一本好的科普書是窺見新天地的一扇窗，是能引領我們從未知到著迷的啟蒙老師。對跨領域主題而言，除了內容有趣外，科學知識或概念說明的淺顯易懂，並提供參考文獻來滿足讀者的求知慾，也不可或缺。這本書符合這些要件。

　　閱讀本書時，難免會因生活經驗的差異而影響對書中情境的想像，建議讀者直接拜訪書中科學家們的實驗室網頁，或運用關鍵字，來查看相關影像。在臺灣，市面上的動物運動學教材不多，這本書適合作為導讀，用以引起學生的興趣，也同時複習（或情境式學習）物理學的基本概念和原理。

　　～～～～～

　　「最美也最奇妙的無盡之形，仍持續演化中」(…endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved.)，達爾文在《物種起源》一書如此作結。

　　因著演化出的構造與功能，萬物才得以從生存競賽中出線，其中有感官上的美與感動，也有因跨領域科學帶來的讚嘆與啟發。唯有保護生物多樣性，這本師法自然的武功祕笈，才能成為仿生設計的永續靈感搖籃。