學蜘蛛人趴趴走 The Gecko's Foot


大三下學期,在我正在徬徨將來的路時,我第一次讀了這本書。接下來三年、甚至是十年的生活,就這樣定調。我一直以來,都崇敬大自然的恩威並施與森羅萬象,也了解自然界有許多尚待探究的事物,但此書所帶給我的,仍遠超過我的想像。題外話,是我不能了解為何很多書籍的中文書名,都遠遠偏離原文書名。或許是為了更加聳動、或更有話題性,但我覺得帶來的往往更是反效果:如<<Sexy Little Numbers>>被譯為<<奧美廣告教父>>、本書<<The Gecko’s Foot>>被譯為<<學蜘蛛人趴趴走>>,不只讓原文書名點出的全書主旨消失,更讓中文譯本充滿了一股庸俗味。幸運的是,書名並沒有影響到這本書所承載的豐沛智識,與其為我開闢的路途。

本書所敘述的,是仿生科技與其靈感來源的介紹。所謂仿生科技,以我自己的定義,是透過觀察身懷絕技的自然界成員,無論是動物、植物或是微生物,分析其賴以維生的特性,並將其以人類技術重建後,應用在合適的用途。在我看來,仿生科技重要的地方,是在於如何從自然界學習,激發全新的科技靈感,而不只是單純的模仿。這也是為何仿生科學的擁護者傾向將”仿生”一詞詮釋為bio-inspiration而非bio-mimicry。向大自然學習,我認為有兩種好處:由下而上的解決方案、以及對環境友善的構成。大抵而言,在工業革命後蓬勃發展的文明,都是由上而下的工藝:汽車、飛機、塑膠製品等產品,都是將大塊金屬或是石化燃料,加工修整塑造成特定造型後拼裝而成。但自然界不同,所有的動植物都是由下而上,經由細胞的成長逐漸跟隨著基因的導引而成形。在這成長的過程中,會因為環境的挑戰而淘汰不適任者,於是在經歷數億年的演化後,留下來的成員都是能夠施展獨門絕活,以最具創意的方法存活在環境中的選手。壁虎和蟑螂或許不知何謂量子光子,但在其身上卻能找到最精細的構成,經過吸收引申後便能作為現有問題的優雅解決方案。同時以有機元素構成的構造,部會釋放任何有害環境的成分,因此以生物提供的解答所建構的科技,更加對環境友善,同時並不犧牲絲毫效率。這正是科技所應追求的:針對問題提供最高效率的解答。仿生科技近年隨著其他技術如奈米科技的增進而蓬勃發展,以下將舉數例,說明如何能向自然學習以增進人類與環境之福祉與和諧。

書名所破題的壁虎,能夠自由自在的行動於各式表面,無論是垂直、倒掛、粗糙、平坦,壁虎皆行動自如。壁虎只需以其一隻腳趾,便能支撐其全身重量。更神奇的是,如此強的黏著力,卻能在壁虎一生中都不衰退、並且無論如何爬行都不會傷到附著的表面。箇中奧妙,只有在電子顯微鏡的發展後才得以揭曉。細看壁虎腳掌,布滿了皺褶,而將這些皺褶放大細查,將會看到無數小於數百微米尺度的細毛,而每根細毛尖端又岔出數百根微米尺度的微小吸盤。這些吸盤能夠深入任何看似平滑表面的凹凸,以凡德瓦力交互作用緊密吸附,這便是壁虎強大附著力的根源。而使其能重複接著、又不傷及表面的理由,則在於連接吸盤的根部,每一節有著不同的軟硬,使其能沿著特定角度輕易剝離、但在其他角度則堅不可摧。試想,若能開發出具備相似特性的黏膠,既有超強黏性、又不傷及黏著面、又可輕易剝離及重複使用,將帶來多大的便利性?醫學上,可以完美取代縫線與繃帶;半導體產業中,能作為晶圓的無塵清潔;日常生活中的種種用途更不逮多言。但為何,到如今我們都還沒看到”壁虎膠”被擺在巷口的文具店中?原因是:人類的技術,尚趕不及自然的精巧。以類似晶圓的矽堆疊技術,已能夠成功仿造出接近於奈米吸盤之結構,也已證實具有超強黏性;但在還原可重複使用此一特點上,科學家們還未有解答。類似的狀況,還有自古以來便讓紡織業垂涎的蜘蛛絲,由於其蛋白質的複雜堆疊而難以複製;或是蒼蠅僅憑25萬個神經細胞(人類的30萬分之一倍)能夠快速的處理複眼與其他感測器帶來的龐大資訊,快速做出戰鬥機遠無法企及的急速迴避,都是人類科技遠不及微小生命,並值得深究的案例。取材自鬼針草的魔鬼氈、蓮花啟發的Lotusan油漆,則是已經商品化的範例。從壁虎的腳掌,我們可以發現即使是最尖端技術都難以企及的超高科技;從觀察蝴蝶鱗粉的結構,我們甚至可以看到讓隱形斗篷成真的提示-----而這都是自然界所自主演變產出的成果。

在閱讀這本書的過程中,我被徹底的震撼。即使當時已在物理系學習了三年,我始終對身邊的世界渾渾噩噩,難以將所學結合自己親眼所見,也不知道自己將來能夠做些什麼。當時的我,總覺得這世界已經快要走到一個極限,科技的發展不再有突破都是漸進式的改良,隨著人類的濫墾濫伐很快文明也將到盡頭(在此要澄清的是,這僅僅是我個人當時的感覺,實際上我清楚的知道物理能探究的仍然是無窮無盡,只是我並沒有在此找到歸屬感罷了)。但這本書告訴我,即使是日常所見,最常見的蟑螂蒼蠅蜘蛛,都有其遠超過人類所能,並且值得人類去研究與學習。費曼所說的那句話,” There's Plenty of Room at the Bottom”,不只適用於人類所建立的科技、更能代表自然界的最微細之處還尚待我們去探尋。如何從森羅萬象擷取絲毫以改善人類生活、並修補被破壞的自然,仍然有著近乎無限大的可能等著我去探索。這本書可以說為我開啟了一扇門,讓我重拾對學習的興趣,我開始翻閱各種資料,了解自己還有什麼路可走,可以再次找到我願意努力的方向。於是我看到了機械系,林沛群老師的仿生機器人實驗室,並決心要考上機械所,投入仿生科技的行列。接下來的半年,孜孜矻矻,將幾本參考書翻了又翻,除了讀書還是讀書,一口氣將從沒學過的東西硬是逼近腦中,即使大腦哭訴已被撐飽,仍然不停地灌進養分。2015年二月的研究所考試,我順利的考上機械所控制組,並在機緣巧合下得以幸運地投入沛群老師門下。

在仿生機器人實驗室,研究的是如何透過觀察生物,賦予機器人穩定並省能的在各種地貌穩定運動的能力。透過建立物理模型,並以非線性工具分析穩定性,我們能生成理想的馬達軌跡用以操控機器人,使其進行沒有感測器回饋的運動。實驗結果呈現即使沒有任何對環境的感測,我們的機器人依然可以穩定的在泥地等崎嶇地形穩定以高速前進。即使我內心明白我的理論與實驗,都有更多可以改進與改良之處,我仍然能問心無愧的說在這兩年的碩士生涯裡,我成功的踏出了一步:那是向自然學習、學習如何能擷取自然的智慧,讓人類社會更接近完善的一步。同時我也更意識到,要繼續在這條路走下去我需要更多的資源與知識,於是我決定繼續攻讀博士。而這一切,都可以說是<<學蜘蛛人趴趴走>>這本書帶給我的。

不知從什麼時候開始,我似乎變得格外有愛心。準確地來說,是對各種小動物與植物充斥著憐憫之情。我從國中時看到蟑螂殺無赦,轉變到現在只會將其困住後送到遙遠的彼端、還有會將各種因故無法找到出路的小生物花上半小時慢慢用塑膠袋捕獲後送出門、甚至是在拔雜草時刻意留上幾株盛開的小花。我想這不只是單純的慈悲,而是在認識到這世界上即使是再常見的生命,都依然有著無窮的可能性,而了解與大自然和諧相處對人類文明的重要性。不論是能夠瞬間急轉彎的蒼蠅、或是能夠將體積壓縮到極小的葉芽,都才逐漸在科技上被揭露其驚奇之處,已實用化的仿生科技,相比還未被開發與鑽研的廣袤自然,不過是九牛一毛。<<學蜘蛛人趴趴走>>一書,開拓了我的眼界,讓我在失去方向時重見光明。不論未來我要選擇的是什麼生涯,我都不會忘記時刻檢視周遭,當失去靈感時,還有無盡的奧妙等著我去學習。六十億年的歲月琢磨,這塊大地孕育了耀眼的光輝,但人類才正要習慣這光輝,逐漸能夠張開眼看見眼前的瑰麗呢。

<<學蜘蛛人趴趴走:受大自然啟發的仿生科技The Gecko’s Foot:Bio-inspiration: Engineering New Materials from Nature>>

Peter Forbes 著,張雨青 譯; 遠流 2007出版

2014 閱畢 / 2016.12.26 再閱

#心得 #生物 #科技