壁虎腳底的高科技：仿生學向大自然取經，設計未來

【新版導讀】
實現永續發展的美夢
--仿生科技的未來發展
吳茂昆

奈米結構是一個令科學家們充滿了幻想的神奇領域。這些奈米結構比物質的原子及小分子要大，但比我們今天建構各種電子產品的微米結構要小，量子效應在這個尺寸變得非常重要。而有意思的是，自然界各類生物也是以此一奈米尺度在運作。

上個世紀，人類發展出各種尖端科技，尤其是顯微技術的成功發展，使我們今天有能力可偵測及控制個別原子或原子簇，進而建造及了解奈米結構；此外，分子自組裝的技術突破，也讓化學家們開始設計超大分子及其他各種奈米結構和材料；再加上基因序列的破解，科學家對基因及蛋白質等有機奈米結構的個別性質及相互作用也有深入了解。有了這些整體發展，我們得以踏上解開大自然奧祕的第一步，不但能滿足我們的好奇心，更進一步可以學習大自然，建構起模仿自然界運轉法則的新科技。

這樣的仿生科技，將能提供新的機制與突破，為新世代產品開創新契機，不但可提升能源的使用效率，並可加速低汙染、高效能能源的開發，以減少資源的消耗及環境汙染。因此，仿生科技的發展可以帶來新的能源開發與應用概念，有效應用地球有限的資源與能源。

自二○○三起，透過行政院國家科學委員會推動的奈米科學國家型科技計畫，國內各界在奈米科技的基礎研究及技術發展，已有相當顯著的成就。不僅學術界在創新研發有領先國際的成果，國內一些中、小企業也在法人研發機構的協助下，發展出應用奈米科技的生活化產品。目前正是全面向社會大眾推廣這些研發成果的良好時機。而奈米科技的開發，有極大比例是來自對自然界已存在多年的現象深入了解之後的研發結果。因此，使大眾能對奈米科技有正確認知是很重要的工作。很高興遠流能在此時重新發行《壁虎腳底的高科技》，對一般讀者認識仿生科技將有極大的助益。此書的特點是文章流暢，深入淺出闡明科學新概念，具非常高的可讀性。

毫無疑問的，仿生科技將是二十一世紀科技與產業發展最大的驅動力。仿生科技正在創造新一波的技術革命與產業，對於人類生活的影響將是全面的。預測未來仿生科技所產生的新材料、新特性及其衍生之新裝置的影響，將遍及儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械工具、醫學醫藥、基因工程、環境與資源、化學工業等產業。相信透過仿生科技的全面發展，我們將能實現永續發展的美夢。
（本文作者為中研院院士、國立東華大學校長，多年來負責主持奈米國家型科技計畫）

【新版導讀】
你所不知道的「早知道」
Things you didn't know you knew
李旺龍（國立成功大學材料系教授）

「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、習以為常卻常受到忽視的「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。

《壁虎腳底的高科技》先是向我們介紹許多令人目瞪口呆的生物巨觀特質，如壁虎的黏著力、貽貝在水中的強大黏著力、蓮花的自我清潔能力、藍摩爾佛蝶的光學幻術、蜘蛛網堅韌的彈性、奈米等級的自組裝技術、昆蟲的飛行能力、花朵樹葉的摺疊展開機制及仿生建築等，接著進入微觀結構的觀察研究過程，向我們說明這些特異功能背後的機制，也說明這些機制發展成產品所面臨的重重挑戰，並期待引發更多人產生天馬行空的創意、找到更好的材料，使產品能夠有所突破、造福人類。這本書的每一章都有著很美的標題以及貼切的詩詞為伴，歌頌著「仿生學」這連接自然設計與人造技術的橋梁。

仿生學可以粗略定義為：從自然界合法「剽竊」許多設計及想法，應用來改善人類技術。但其實自然並不完美，自然界的演化速度很緩慢，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，演化到現在這步田地。不過，若將這一大段演化時間視為一年，那麼自有人類出現到現在，大概只過了不到一分鐘，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；而理論上，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「改進」尚屬理論，因為有著太多的未知。

事實上，仿生學並不是指人類技術全然抄襲大自然的設計，因為生物體內的環境不見得適合人造技術的應用，不過若能對生物體的功能與作用機制進行深入的基礎研究，必定有助於找出人類某種技術的解決之道，因此生物學家在這個過程中不可或缺。生物依據天擇過程而發展至今，全身上下許多部位都發展出最佳狀態；這裡所謂的「最佳」其實也可說是「夠好」而已，也就是說，大自然一直在解決各種不同的問題，讓生物不需依賴很多資源，即可達到夠大的競爭力而存活下來，因此生物運用各種資源都能非常知足且不浪費，其中諸多奧祕非常值得人類技術好好學習。

我們可以舉一個例子，來看看自然設計跟人造技術存在著多大差異。就以能承受負載的樹木和鋼鐵來做比較，樹木（自然的設計）是溼的，具有撓性，而鋼鐵（人造技術）是乾的、堅硬的；人造材料多是高溫製作並具有均質性（指材料的特性在任何位置都相同 ）及等向性（材料的特性在任何方向都相同），而樹木則是在常溫下成長，並具有橫向的層狀構造及縱向的纖維組織（即異向性），且具有依成長過程（例如受到風吹雨打等外力作用）記錄下來的非均質特性（以年輪呈現）；人造技術都是有稜有角的，以直角居多，樹枝的分叉則有某些程度的曲率，以降低應力太過集中可能造成的傷害；人造材料需有技術介入才能生產出產品，而自然設計則多半本身就具有生產製造的能力，所以「人為煉鋼」和「樹木自動成長」是非常鮮明的對比；人造技術大多具有單一功能的限制，自然設計則常有多功能的目標，如鋼鐵多半只作為結構用，而樹木除了支撐本體所受的外力，還可負擔水分、養分的傳輸等成長功能；人造設計出了問題（如鋼鐵鏽蝕），就需要修理及替換，而自然設計往往具有自我治療復原的功能，例如天然橡膠必須劃破橡膠樹皮取膠，但樹皮會自行癒合。

二○○四年七月，我前往英國威爾斯史溫西大學（Swansea University）擔任訪問學者，期間曾拜訪本書第五章以後常提到的英國第一位仿生學教授，朱利安‧文森（Julian Vincent）。他在巴斯大學機械系擔任教授，對於研究充滿熱誠，我與他約見面的時間不巧是巴斯的假日，但他還是開車來接我到他的仿生及自然技術研究中心，不但為我做詳盡的介紹，還在停車場地上就蛞蝓爬行留下的痕跡，與我討論腹足的運動及潤滑劑的分泌等問題。他說他不懂力學、也不懂數學，但他有能力向自然「剽竊」其設計理念，開發新創意，用於機械設計方面。

二○○五年七月，我邀請朱利安來台短期訪問，在高雄應用科技大學的「創意／奈米／仿生」研討會上發表演講，吸引了來自各領域的研究學者擠滿機械系的演講廳。隨後，我又於二○○六年六月前往巴斯大學機械系擔任仿生學訪問教授，在他的研究中心跟他和年輕的博士生在一起三個多月，讓我深深了解到，「仿生」不是一味的模仿，而是要對自然有深入的理解，並發揮天馬行空的創意，才能實現「產品化」的目標。舉該中心例子來說，沙漠中的蟑螂是開發低耗能除溼機的學習對象；松果對溼度的敏感度，促成該中心在日本愛知博覽會提出可感應流汗程度而適度通風的「聰明衣」概念；啄木鳥用力啄木頭不會腦震盪，造就了電動鐵鎚的設計。初到巴斯的第二週，朱利安為我準備了歡迎派對，回台前邀請我在他家住了兩個晚上、深入交談，都是我快樂的回憶。

近幾年的仿生研究案例還有：花瓣效應與蓮葉效應有著相似的疏水特性，但水滴在某些玫瑰花瓣上是黏附其上，不似蓮葉上的水滴滾來滾去，而現今關注的蓮葉效應不再是親疏水性及自潔的問題，而是減低摩擦阻力及飛行阻力，與壁虎貼布強調的高黏附力呈強烈對比；從關節軟骨潤滑的低摩擦特性，引發了是否有機會取代汽車及機具潤滑系統的研究；貽貝膠與壁虎貼布混合使用時，乾溼兩用的人造貼布有了新的思考；大型魚類的鱗片具有盾牌的功能，相較於我們的牙齒琺瑯質及象牙質，鱗片上有著更多分層；爬蟲類從水中往陸地移動時，身體所演化出的皮膚角質層可用來防止水分散失；穿山甲及沙漠中蜥蜴的鱗片、沙灘上常見軟體動物的殼都是耐磨材料首選；連接貝類雙殼及軟體動物本體的韌帶，是植牙及骨科醫師亟待理解的機制；牙醫師如能注射果肉般的微膠囊於牙周患處，將可解決二十一世紀最嚴重的口腔疾病；雄蟬的翅膀上有著精細結構，可供製作奈米壓印模具；桃花心木的種子以旋轉方式降落，以及蜻蜓翅膀上的痣可以靈敏地控制飛行，都展現出質量的重分布能達到不同的效果；蚯蚓爬出土中總是沾黏少量泥土，從牠表皮的電現象可協助解決後車斗倒完土方後不殘留的問題；水黽靠著表面張力能在水上漂浮，但顯微鏡下水黽的足部高度分叉及麻花狀的組成，讓牠們在滑行時的阻力大大減少；仙人掌針狀葉的細小表面積可減少水分蒸發，其特性或可應用於大樓設計來保持涼爽；瞪羚高速奔跑時伴隨而來的高溫以及企鵝腳為什麼不結冰，都與血管結構及血液流動有關；黃蜂振翅時造成第一節胸背部的體溫升高，透過角質層的散熱可降低高溫現象。

仿生學是跨領域的科學，當你和不同領域的專家在一起，彼此傾聽對方的研究，交換彼此對另一領域不成熟的想法，往往是擦出火花的時刻。自二○○七年八月一日起，我從高雄應用科技大學轉任到成功大學奈米科技暨微系統工程研究所，奈米科技同樣深具跨領域的特性，而「仿生」與「奈米」的結合，更是很「自然」且本來就存在於大太陽底下許久的新鮮事。可惜的是，奈微所於二○一二年八月一日正式走入歷史，泥牛入海消失無蹤，這也只是台灣許多亟待討論教育問題中的一個小問題。

我讀完此書原文，愛不釋手，認定此書對於許多研究學者必定是很好的仿生學入門書，也是通識課程中「跨領域」的最佳範例。從科學普及的角度來看，很高興看到此書在市面上流通，因此樂於推薦此書。讀者若對相關領域有興趣，亦可參考國科會的科普入口網站「科技大觀園」，或是「週日閱讀科學大師」收錄著我與學生的「奈米仿生科普教材」提供延伸閱讀。

【新版導讀】
低頭師法大自然
蔡雅芝（逢甲大學光電學系助理教授，奈米科學網主持人）

《壁虎腳底的高科技》是一本探討仿生學的書，也是近幾年來我接觸過寫得最好的科普書籍之一。「仿生學」顧名思義是一門以「師法大自然」為宗旨的科學，試圖透過理解並模仿大自然的運行機制，來製作類似甚至超越大自然的人工系統。仿生學雖然是這幾年才竄紅，但在人類文明發展的歷程中，處處可見它的影子，不過一直要到上個世紀才擺脫神祕色彩，開始受到主流科學重視。二十世紀中旬刮起的有機風潮，使標榜「以自然為師」的仿生學在一片講求精準與設計的科技中，蔚為一股清流，而近年來興起的奈米科技，更進一步在人類科技與自然界間架起一座橋梁。

《壁虎腳底的高科技》雖然是一本科普書，但卻擁有迥異於坊間一般科普讀物的風格──它擁有豐富的人文色彩，而且內容的深度及廣度都非常出色。作者透過主題式的介紹，從科學、歷史、哲學甚至藝術等不同角度，帶領讀者領略這門學問演化過程中的艱辛、奧妙與收穫。書中探討的主題如蓮花效應、蜘蛛絲、光子晶體、微型飛行器等等，都是當前各科學領域最熱門的研究課題，免不了得花一些篇幅來描述學理及技術上的細節，但是在作者深厚的詩文造詣及輕快活潑的筆觸包裝下，讀起來完全沒有理工文獻的冷僻剛硬，反而像小說般親切流暢，教人一開卷就欲罷不能。

這本書一共探討了蓮花效應、蜘蛛絲、壁虎的附著力、光子晶體、分子的自組裝、昆蟲的飛行術、摺紙術及有機建築等九個主題，在領域上橫跨物理、化學、材料、光電、機械、生物、醫學乃至於建築藝術，分布之廣令人驚訝，在尺度上的差異也極大，有小至奈米級的蛋白質，也有巨蛋之類的雄偉建築。雖然題材尺寸懸殊，表面上看起來似乎沒有多少關聯，但在作者精采的舉證、剖析與串連下，我們發現它們隱約具有共同的脈絡，都是人類憑藉著自身的知識，企圖汲取大自然智慧的產物，都可以在自然界找到它們的「對照組」；諷刺的是，這些渾然天成的對照組往往生得更精緻、更靈巧、效率更高，例如當科學家還在實驗室裡以造價千萬元等級的微影設備，努力製作可見光波段的三維光子晶體時，花園中的摩爾佛蝶早已拍著泛藍光的翅膀，進行了幾百萬年的求愛儀式。看來大自然的祕密並不是那麼容易被參透，人類要學習的東西還多得很呢！

仿生學的研究對象如果是在微小世界，自然會與奈米科技有密切關聯，因此本書內容有一半以上屬於奈米的範疇，例如第二章介紹蓮葉表面的奈米結構所衍生的超疏水性與自潔功能，第三章則詳述科學家如何各顯神通，試圖製作出性能可媲美蜘蛛絲的人造纖維，第四章探討壁虎與蜘蛛如何巧妙地利用微弱的凡得瓦力飛簷走壁，第五章介紹人造及自然界中的光子晶體如何透過光的干涉作用，玩出各種神奇的把戲，第六章則探討分子自組裝在生化領域扮演的種種角色。從這些題材的豐富程度就可以看出，作者在材料蒐集方面下足了工夫，而且成功運用他過人的理解與聯想力，將相關的來龍去脈與複雜的學理組織起來，成為有深度但讀來又饒富趣味的報導。介紹學理與技術的文章往往流於枯燥，這是科普書籍最容易犯的通病，本書作者的高竿之處就在於他能以淺顯的語言及生動的例子，來解釋深奧複雜的科學原理。比方說，他舉眾所周知的「僧人臥釘床」為例，輕輕鬆鬆就解釋了蓮葉表面的微結構可以支撐水珠的原理；又例如他以「把手機摔個粉碎，扔進合適的溶液裡，一眨眼間，嘿，電話又會響啦」來比喻噬菌體驚人的重組能力，不僅傳神，而且保證讓讀者印象深刻！

大凡新興的科技都得經過一番社會道德的質疑與檢驗，大眾憂慮的不外乎科技的發展是否會違背某些社會倫理？先進的科技一旦失控，是否會將人類推向自我毀滅？核子物理如此，基因工程如此，帶著濃厚仿生色彩的奈米科技亦不能免俗。每年我都會在「奈米科學概論」課堂上與大學生討論這個問題，學生們可能因為對奈米科技專家卓斯勒（Eric Drexler）筆下的人造「灰色黏團」（grey goo）印象深刻，或是被小說《奈米獵殺》（Prey）中奈米機器人追殺男主角的一幕及電影《我是傳奇》（I Am Legend）中的末日情節所震懾，多數人對於奈米科技可能帶來的風險表示憂心。當然，為了平衡視聽，我也給他們讀了知名物理學家戴森（Freeman J. Dyson）撰寫的〈未來需要我們！〉（The Future Needs Us!，中文翻譯可參閱《科學人》雜誌二○○三年八月號）一文。戴森認為科學家自有分寸，情況不會失控，並以一九八○年代中期DNA剪接技術問世後，生物學界自發訂立規範實驗的準則一事來佐證他的看法。不過從學生的反應來看，前者的震撼力顯然強過後者的說服力。

我個人倒不至於這麼悲觀，而且在讀完這本《壁虎腳底的高科技》之後，信心又增加了幾分。透過許多科學家的聰明與努力，大自然與人類的距離已經逐漸拉近，人類已經掌握了部分大自然的運行機制，仿生學的成果也已經呈現在一些人造系統上，例如模仿蓮花效應發展出來的奈米馬桶、集反蓮花效應與光觸媒功能的自潔玻璃、防水抗汙的智慧布料、人造皮膚、仿生建築，以及在二○○八年北京奧運稱霸游泳池的鯊魚皮高科技泳衣等等，人類開始享受大自然的智慧所帶來的便利。不過書中也指出，受限於當前的科技，人類目前擷取到的只是大自然的皮毛，而且還不是整片皮毛，因為人類的仿生產品通常只具備某一種仿生特性，而自然界隨便一根蜘蛛絲就集合了質輕、可撓、堅韌等各種驚人的特性於一身。因此，別因為挖到幾顆零星的寶石就沾沾自喜，我們距離真正的寶石礦脈還相當遙遠，這正呼應了費曼所說的：「下面的空間還大得很呢！」而且正如作者所說，理解並不代表具有複製能力；你或許可以造出與蓮葉一樣能防汙自潔的表面，但你就是造不出蓮葉本身來！

近兩世紀，人類目睹了有史以來科學與工程最輝煌的進展，志得意滿之餘不免流露出驕氣，以為已經了解一些基本定律、掌握了一些先進的技術，就可以主宰一切。十九世紀的物理學家就犯過這樣的錯誤，當時物理學界領袖之一的凱文勳爵（Lord Kelvin, 1824-1907）曾說：「在已經落成的科學華廈中，後輩物理學家只要做一些零星的修補工作即可。」說白一點，就是重要的工作都已經完成，只剩下要計算到小數點後第幾位的瑣事。才不過幾年，他的話語就被量子洪流所吞沒，量子力學揭露了大自然不為他所知的一面。大自然的祕密何其多，而人類對她的了解其實相當有限；我們的處境有點像是在海灘上撿到幾個貝殼，或許我們可以弄清楚貝殼的紋路、種類甚至化學成分，但是這樣稱得上對大海有所認識嗎？還是回到那一句老話：在知識前要謙遜。知識的巨門之後就是大自然的寶庫，入寶山前記得要低下頭來。