仿生高科技：源於自然的科技靈感

前言

◎仿生學是什麼？

仿生學，是代達羅斯（Daedalus），他為了帶上他的兒子伊卡洛斯（Icarus）逃離囚禁他們的島嶼，而製作了飛鳥的翅膀。那雙翅膀如此完美，以至於年輕的伊卡洛斯忘記了自己並非一隻鳥，竟冒著生命危險飛向太陽──我們都知道結局是什麼。在對這則神話的闡釋中，我們常常忘記代達羅斯的天才發明，他實現了人類的夢想──飛翔，而且他是通過研究與模仿自然而實現的。

仿生學，是中國的一個村子，宏村。那裡的居民在800年前，將村子布局成了一頭牛的樣子。不過這並非簡單的形狀上的模仿，因為宏村擁有一套依照該動物的消化系統而修建的水利網路。仿照動物腸道而挖掘的水道可使淨水流經居住的地方；汙水則匯集來灌溉農作物。

仿生學，是一位英國園丁，他在缺少一個足夠大的溫室來庇護他視如掌上明珠的巨大睡蓮的情況下，從睡蓮的葉子中得到啟發而建造了一種新型溫室。這裡所說的溫室成為了一種新型建築的起點，它使得玻璃護板的組合成為可能；這位園丁，約瑟夫．帕克斯頓（Joseph Paxton），出於他對建築學的貢獻，大英帝國授其為爵士。而那種睡蓮叫做維多利亞睡蓮（王蓮），帕克斯頓是第一個成功讓它在溫室中生長的人。

仿生學，顯而易見，就是對生命體的模仿，對自然過程的模仿，目的是創造新的技術或改良已有的技術。這本書講述的是動物以及植物如何啟發了發明家、工程師、建築師、科學家……這些例子都發生在久遠的過去或者更近一些的時期。本書也講述了仿生學如何成為現代科學研究中最有前景的學科之──無論是在發現還是在發明方面，它都擁有迷人的前景，尤其促進著環境無害型技術的發展，如無汙染科技、可迴圈材料、可再生能源，以及顯著減少能源消耗甚至零消耗的新技術……所有這些都像一個溫柔的夢境。然而，它們的可能性──技術解決方案──都已經在大自然中呈現了。如空氣調節系統和零能耗集水方案，都已經存在了。有些發明已經上市銷售了，比如「天然」的抗菌外層（它由於表面的結構而變得抗菌，而非借助於化學物質）、一種不含任何有毒物質的工業木膠，以及建築的自動清潔塗層──這三種產品分別模仿了鯊魚、貽貝以及蓮花的特性。

書中所描寫的一些發明和方案會讓人想到科幻小說，因為如今仿生學對尖端科技的影響顯而易見。如太空探測器會像飛蛾一樣飛行，太陽能板能像綠色植物一樣進行「光合作用」，飛艇可以像鱒魚游動一樣推進……所有這些發明都是極其嚴肅的，而且，在短期和長期之內，它們都會成為我們現實生活的一部分。

◎不斷重啟的歷史

仿生學這個詞語是新近產生的，但它的歷史卻並不短暫。事實上，我們不知道最早的人類科技是如何誕生的，也對最初的發明者知之甚少……

不過，我們卻能知道，人類住得離大自然越近，他們就越模仿自然──顯而易見。比如，生物學及仿生學學家戈捷．沙佩勒（Gauthier Chapelle）認為，因紐特人應該是從北極熊的巢穴中學習了如何建造他們的冰屋──這些冰屋同樣具有空氣調節系統。一種動物教會人類某種技能或者某種生產祕訣，此類傳說多不勝數。在北美洲的沙漠裡，或許就是胡蜂裡的工蜂教會了印第安人如何用黏土建造他們的住房──這種住房神奇地抵擋了外部的炎熱。在非洲，或許就是白蟻講授了建築的藝術──同樣是這些白蟻，使得一種零消耗空調系統在20世紀末被投入使用。

仿生學的歷史是一段不斷重啟的歷史：在每一個時期，人們都從大自然中探尋解決技術難題的方法。比如，航空技術的先驅們花費數年時間觀察鳥類、蝙蝠、昆蟲甚至種子的飛行。

這同樣也是一段永不完結的學習歷史：人類的技術不斷發展，我們對自然的認識以及對自然的觀察方式也在不斷革新。例如，掃描式電子顯微鏡使生物學家威廉．巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）通過觀察最終發現了蓮花效應，這項發現促成了自潔外層的產生。

仿生學的歷史同樣也是愛好者們創造的歷史：自然學家、發明家、工程師、生物學家、建築師……所有人都以各自的方式，為大自然的精巧和富饒著迷（不過，這並不代表他們是現代意義上的「生態學家」）。

同時，仿生學的歷史還是不同學科知識相遇、共同發現和相互碰撞的歷史。

◎飛行的先驅們

列李奧納多的撲翼機

是誰說過「鳥是一個遵照數學原理運行的工具，人類需要做的，就是造出一臺足以複製牠每一個動作的機器」？毋庸置疑，是李奧納多．達文西（Leonardo da Vinci）。正是他在15世紀開啟了我們今天所瞭解的生物仿生學。

在李奧納多所有的研究與工程計畫中，占最重要地位的是他為之著迷的「學習飛行」。在他看來，只有以「數學的方式」，也就是科學的方式，來觀察動物才能得到答案。他的素描本記錄了他對鳥類、蝙蝠以及蜻蜓等動物的飛行動作和技術的細緻入微的觀察。在所有的飛行方式中，他特別關注的是鳥類的撲翼飛行，他對這種飛行方式從起飛到著陸做了分解觀察。正是以這種方式，李奧納多．達文西將軀幹中心與推力中心分離，這成為了所有飛行器研究不可或缺的一個過程。他同樣致力於對鳥類翅膀的觀察，觀察牠們的解剖學構造、羽毛分布以及羽毛的結構。

對撲翼飛行的研究促使他設計了一種由人力推進的飛行器──撲翼機（Ornithopter，在希臘語中，ornithos意為「鳥」，pteron意為「翅膀」）。李奧納多．達文西在1485年完成了撲翼機的初稿：它的兩片巨型翅膀由一個滑輪裝置帶動，滑輪裝置則由腳踏板提供動力。

不過這個飛行器存在一些顯然無法解決的技術問題：首先，在那個時期能使用的材料都太重了──按照撲翼機的設計稿，它將會超過300kg；其次，即使是以強壯的腿而非手臂驅動，人類的肌肉占體重的比例依然比鳥類小得多──人類無法夠快地扇動翅膀來讓機器留在空中。

在撲翼機之後，李奧納多．達文西專注於研究掠食性鳥類的飛行──滑翔飛行。四百年餘後，這成為了奧托．李林塔爾（Otto Lilienthal）的選擇，而且正是李林塔爾促成了最初的滑翔機的順利飛行，雖然他並非從掠食性鳥類，而是從鸛的身上汲取靈感（見第106 頁）。

列李奧納多．達文西還繪製出了人類所知的第一個懸掛式滑翔機的模型。這是一個可操作的模型，後來的復原模型已經為此提供了證明。至於撲翼機，它所面臨的問題並沒有被19世紀的航空發明家們解決，而是再過一百年後由美國發明家保羅．麥卡克萊迪（Paul MacCready）解決，保羅．麥卡克萊迪首次讓一架人力推動的機器成功飛行（見第108頁）。而根據李奧納多．達文西的設想而製作的第一架撲翼機直到2010年秋天才出現，它由加拿大多倫多大學的師生共同製作，被稱為「雪鳥（Snowbird）」。這架撲翼機有32m長的翼展（接近波音737的機翼長度），接近43kg的品質。其翅膀的長度和靈敏性使得它能夠持續拍打，產生維持一定高度的動力。雖然可以說這只是一項特殊的試驗，但製作了「雪鳥」的團隊看中的卻是在它身上蘊藏的航空發展的靈感源泉：李奧納多．達文西設計的撲翼機提供了依靠自主能源飛行的最初模型之一。

◎喬治．凱利的動物圖集

「航空之父」──英國人這樣稱呼喬治．凱利（George Cayley）。在19世紀，這位天才的工程師研發了數不清的飛行器。更重要的是，正是他建立了關於飛行原理的科學基礎，其中就包括用尾翼來平衡飛行器的必要性。我們還得留意到，凱利同李奧納多．達文西一樣，從來沒有親自製作過在他所處時代的技術條件下具備起飛可能性的機器。

與李奧納多．達文西一樣，凱利也專注於大自然提供的模型。在1808年，他確定了他自己的撲翼機模型，設計靈感來自蒼鷺──為了更近距離地觀察這種動物，他在自己的府邸內用獵槍打下了一隻……他的撲翼機複製了受害動物的外形和比例。然而，凱利並沒有僅靠觀察鳥類來設計他的模型。在飛艇發明二十五年後，這位英國工程師改善了自己的飛艇模型，而靈感來自鱒魚（見第86頁）……植物，尤其是植物的種子，也向他提供了更富有成效的模型：楓樹的翅果（見第38頁）讓他構想出了螺旋槳的基礎結構；而蒲公英則讓他設計出了錐形降落傘。

作為嚴謹的工程師，凱利並不滿足於複製或者發明新的機器外形，他同樣借助系統化的計算；他知道，一架機器如果不是從推動系統到外形都完美無缺，那它就不能飛行。出於這樣的理由，他開始設計一種他宣稱的「最少阻力的堅固外形」──這契合後來人們所熟知的流線型。根據喬治．凱利的計算，這種「最少阻力的堅固外形」正好對應海豚的身形。20世紀70年代，即一個多世紀以後，關於層流的研究證實了凱利的直覺：與金槍魚一樣，海豚也是這一領域的學習榜樣。

1857年凱利去世後，還要經過好幾代人的時間，才等到第一架懸掛式滑翔機在1891年的首次飛行。隨後是最初的飛機在20世紀初面世。航空歷史上最初幾十年裡的這些先驅們的靈感大多來自動物：阿代爾（Ader）的蝙蝠、埃特里希（Etrich）的鴿子、李林塔爾的鸛……

然而這只是一個開始。在整個20世紀，航空歷史上寫滿了由細緻觀察自然而得出的發現。猛禽強有力的飛羽啟發人們修改機翼的外形以避免顛簸；海豚的皮膚使得開發一種減少空氣阻力的塗層成為可能；群飛的候鳥為共同飛行的飛機給出節省燃油的提示……

◎機器仿生學：當機器模仿自然和人類

如果我們模仿的動物是人類，這還算是仿生學嗎？在20世紀中期，就像一百年前的航空科學那樣，機器人科學吸引了研究者和大眾的興致。隨之而來的，是創造出人造的人類複製品的美夢（或者噩夢）。幾十年後，這種癡迷和它所引發的恐懼已有一些消退。不過，在這種背景下產生的科學──機器仿生學（bionics，可譯為「仿生學」。一般認為bionics這個詞和這門學科是在1960年由斯蒂爾首先提出。但在法語環境中，該詞對應bionique，通常指從動植物身上獲取靈感來創造新的科技，可以說是狹義的仿生學。──譯注），取得了令人讚歎的進步。

20世紀60年代初，「機器仿生學」一詞通過美國代頓的一場會議而得到傳播，這場會議聚集了來自世界各地的科學家。

這場會議的宣導者是傑克．斯蒂爾（Jack Steele），美國軍方的研究者和軍官。當時冷戰正酣，傑克．斯蒂爾意識到一些或許能為生物學打開前進大門的可能──如果它們是在武器領域得到開發的話。從間諜機器人到水陸兩棲的越野運載工具，從超強機器人到變異動物……這是一個世界的開端，它會為科幻小說提供素材──但不止於此。

代頓的會議標誌著傑克．斯蒂爾所稱的「機器仿生學」的研究者的第一次聚集。他將這門學科定義為「模仿生物原理來建造技術系統，或使人造技術系統具有生物系統特徵或類似於生物系統的科學」。這樣的定義不僅包括模仿人類的發明，而且還與仿生學定義有部分相交。

不過，機器仿生學這一術語如今更多地關聯著機器人科學和修復學──就是模仿生命體，以及研發能夠「移植」到生命體中的人造肢體和器官。

我們還記得20世紀60年代和70年代在漫畫和電視連續劇中出現的人物的「仿生」四肢。幾十年過後，它們幾乎成為了現實。這種肢體尤其得益於人造肌肉的發明，它能夠遵從電流刺激反應。

人造肌肉由一種新型材料──電活性聚合物製成，在20世紀的最後幾年裡研發成功。不足之處是它在力量方面還有待提高。在最後的實驗中，它在力量方面還是比人類肌肉差了許多……

另一方面，憑藉目前神經學上的知識已經足以造出一種既模仿人類肢體外形，又遵照主人的神經命令的假體。而且，在不遠的將來，它能夠向大腦傳導資訊，讓它的穿戴者能夠「感受」到它在觸碰某些東西。

◎爭奪空間的動物-機器

一隻甲殼蟲與一臺電腦有哪些相似之處呢？答案遠遠多於我們能想到的。在科幻作家們的想像中，機器人就如同人類的複製品。

事實上，今天的機器人研究將希望寄於動物身上。動物們──甚至在某些情況下，還有植物們──能夠教給機器人的，首先就是牠們的移動方式。動物的移動方式多樣且絕妙，挑戰著人類運載工具的原則。某些動物能在水面上或天花板上行走，或者比任何直升機都能更穩定地懸停，或者能從一道裂縫潛入物體內部，或者能在地底下穿行……動物們掌握了無數工程學問題的答案，只要我們能成功地模仿牠們。

如果說動物們的移動方式極其高效，那首先是因為牠們能夠適應牠們的生存環境。請想像一個必須在海底走動的機器人：還有比能抵抗著水流在礁石中行動的甲殼類動物更好的學習榜樣嗎？這就是機器龍蝦，一個機器人-龍蝦的結合體（見第60頁），它專門用於探索海岸邊的水下部分。同它的模仿物件一樣，這個機器龍蝦也具有一個能夠抵抗外界壓力的甲殼；除此以外，它的外形也使得它能夠在重力小於地面的水中依然保持緊貼海底。機器龍蝦只不過是數十種忠實模仿動物的外形和移動方式的機器人之一。機器蝸牛（RoboSnail，名字來源於一種水生蝸牛）──一種能征服空間的機器──同樣能在水下移動，不過需要黏附在載體上。機器七鰓鰻的發明能讓人更深入地理解爬行動作和「感受器」，即將神經衝動從身體的一部分傳導到下一部分的接收器。另外，還存在機器蛇、機器魚、「仿生企鵝」（見第110頁）、用蒼蠅或者胡蜂的方式飛行的機器人、像水母一樣移動的機器人……

一種移動方式如果已經完美地適應了一種環境，並不意味著它應該就此卻步。在本書的例子中，一種動物和一種植物成為了探索火星的榜樣。動物正是天蛾（見第140頁），牠啟發了人們發明多模態電子昆蟲──達文西撲翼機的一種變形後代，這種器械能夠在火星的地面上飛行，並且能在地面上停留和採集樣品。植物則是風滾草（見第34頁），西部片裡的神聖植物，它能在地面上滾動行走。

這兩項發明的相同點，在於它們揭示了仿生學怎樣讓研究者通過借鑑已經存在（通常是存在了上千年）的方式來跳出思維局限。

前言

◎仿生學是什麼？

仿生學，是代達羅斯（Daedalus），他為了帶上他的兒子伊卡洛斯（Icarus）逃離囚禁他們的島嶼，而製作了飛鳥的翅膀。那雙翅膀如此完美，以至於年輕的伊卡洛斯忘記了自己並非一隻鳥，竟冒著生命危險飛向太陽──我們都知道結局是什麼。在對這則神話的闡釋中，我們常常忘記代達羅斯的天才發明，他實現了人類的夢想──飛翔，而且他是通過研究與模仿自然而實現的。

仿生學，是中國的一個村子，宏村。那裡的居民在800年前，將村子布局成了一頭牛的樣子。不過這並非簡單的形狀上的模仿，因為宏村擁有一套依照該動物的消...

．巨藻，海底能源
．歐洲赤松，智能服裝
．竹子，曲而不折
．棗椰樹，埃及廟宇
．蓮，從純潔到乾淨
．王蓮，玻璃宮殿
．牛蒡，征服太空
．風滾草，數位建築
．臭木樟，噴泉樹
．楓樹，如何在空中停留？
．千金榆，折紙和太陽翼
．翅葫蘆，飛翼

．海綿，從一種纖維到另一種
．水熊，隱生
．海參，未來醫學
．鮑魚，比鋼鐵更堅硬
．蛇尾海星，收集光線
．矽藻，軟化學
．珊瑚蟲，綠色水泥
．水母，生物發光
．龍蝦，嗅覺探測器
．美洲林蛙，自我冰凍的能力
．蜘蛛，仿生學的聖杯
．水蜘蛛，帶著氧氣潛水
．扇貝，瓦楞板
．貽貝，無敵膠水
．鸚鵡螺，深海潛行
．章魚，從吸盤到人造手臂
．烏賊，從墨汁到偽裝藝術
．蝠鱝，水下滑翔機
．雙髻鯊，奧運皮膚
．發電魚，生物發電
．箱子魚，節能汽車
．鱒魚，飛艇
．金槍魚，飛機的機身
．壁虎，在天花板上行走
．魔蜥，水之捕手
．砂魚蜥，沙中遨遊
．鴿子，飛行的模範生
．翠鳥，日本高鐵
．野鴨，在飛行中保持平衡？
．啄木鳥，從冰鎬到風鎬
．貓頭鷹，用耳朵看
．鸛，蝙蝠俠的飛行老師
．安第斯神鷲，人力飛行
．企鵝，節約能源
．海豚，水下交流
．座頭鯨，增強風力
．人，用骨架建造艾菲爾鐵塔？
．老鼠，普斯卡爾帕克斯和人造動物
．貓，夜間反射
．穿山甲，給建築師的鱗片
．斑馬，障眼法
．飛鼠，無翼飛行
．蝙蝠，夜間狩獵和超音波定位
．蜜蜂，六邊形的祕密
．胡蜂，造紙先鋒
．蒼蠅，抗反射的眼睛
．蜻蜓，挑戰重力
．閃蝶，光的遊戲
．天蛾，撲翼飛行之王
．尺蠖，微型引擎
．蟋蟀，歌唱腕錶
．糞金龜，輪子的發明
．納米比沙漠甲蟲，收集水分
．螞蟻，群體智慧
．白蟻，集體居住地和零能耗空調

．巨藻，海底能源
．歐洲赤松，智能服裝
．竹子，曲而不折
．棗椰樹，埃及廟宇
．蓮，從純潔到乾淨
．王蓮，玻璃宮殿
．牛蒡，征服太空
．風滾草，數位建築
．臭木樟，噴泉樹
．楓樹，如何在空中停留？
．千金榆，折紙和太陽翼
．翅葫蘆，飛翼

．海綿，從一種纖維到另一種
．水熊，隱生
．海參，未來醫學
．鮑魚，比鋼鐵更堅硬
．蛇尾海星，收集光線
．矽藻，軟化學
．珊瑚蟲，綠色水泥
．水母，生物發光
．龍蝦，嗅覺探測器
．美洲林蛙，自我冰凍的能力
．蜘蛛，仿生學的聖杯
．水蜘蛛，帶著氧氣潛水
．扇貝，...