零距離科學:仿生學之「未來交通」

零距離科學:仿生學之「未來交通」

我們想讓你知道的是

向地球上各種「物競天擇」存活下來的「適者」學習,研究和模仿牠們的身體結構,來改良各種人造物,這門學問就是「仿生學」,例如工程人員正在考慮以企鵝的身體結構為藍本,設計新一代潛水艇。

文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

海陸空仿生學——向演化借鑑改良交通工具

居住在地球上不同地方的人類,因為各種交通工具的出現而連結起來,跨區、跨市、跨國,甚至跨大洲的旅程,已經融入現代人的日常生活,也帶來了全球化。

我們熟悉的交通工具,很多都依賴化石燃料提供能源,即使是以電源作動力的,例如電動車,發電還是需要化石燃料的。為了減低「碳足印」,環保人士正在努力提倡「本土經濟」,本土需要的各種農作物和人工製品都由本地製造,既有助本地經濟,也有助減少使用化石燃料來運送各種物品。

不過,總是有人會以另一種思考方式嘗試解決問題,例如,向地球上各種經「物競天擇」而存活下來的「適者」學習,研究和模仿牠們的身體結構,來改良各種人造物,這門學問就是「仿生學」。

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仿生學可以啟發我們設計出一些既節能又有效率的交通方法

飛鳥與鐵鳥——機翼的各種改良

飛機是其中一種跨大洲的交通工具,無論是工幹、旅遊,還是貨運,要維持現代社會的運作,是不能說減就減的。所以,另一個方向是,在使用相同份量的化石燃料的情況下,能運載最大重量,或是運載同樣重量時使用最少的燃料。

人類在這方面當然要向鳥類學習,究竟要選擇誰?地球上的鳥類種類繁多,在各種棲息地都能見到牠們的蹤影,身體結構已經演化成非常適應在棲息地覓食和生育;牠們也有不同的生活方式,有些一生都待在同一地方,有些會每年來回遷徙。

工程人員選擇了「很能飛」的鳥類,其中一種是信天翁。成年信天翁身長可以超過一米,翅膀打開的闊度可達三至四米,只要氣候條件合適,可以不用拍翼,仍能在空中停番數小時。參考信天翁的身體結構,工程人員設計了機翼長度比例較闊的飛機。

另一種「被學習」對像是鷹,比起一般以種子和小型昆蟲為主食的非略奪性鳥類,鷹除了視力特別好,牠們翼上的羽毛不但特別長,尖端位置更是像手指散開來的形狀。科學家發現這種形狀有助鷹更能控制飛行的方向和比較省力,所以工程人員改良了機翼的形狀,把尖端部分設計成向上彎,以達到近似的效果。

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飛機設計參考了鷹飛行時翹起的翼尖,節省了不少能源

入水能游的鳥——設計像企鵝的潛水艇

人類除了不能飛,在水中的行動也受到限制,而鳥類又再一次成為參考對象。這次的「被學習」對象,是「放棄」了飛行能力的鳥類,企鵝。

相信大家在不少紀錄片也看過,企鵝的雙腳很短,又長了蹼,在冰上行走非常不方便,甚至有些企鵝會趴在冰上,用肚子滑行。不過,一跳進水中就完全不同了,牠們看似圓滾滾的身體,在水中其實是非常適合游泳的流線形,不用花費太大氣力就能在水中像子彈一樣前進。工程人員正在考慮以企鵝的身體結構為藍本,設計新一代潛水艇。

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仿生學亦可以幫助我們提升水上運動的樂趣,這一款參考了魚類的滑浪板尾鰭,可以增加滑浪手的靈活度

會發電的魚——為機器人搭配電感應

人類在水中活動的另一個限制是在水中的能見度。我們的眼球早已演化成只能接收可見光,在陸上大部分時間都沒問題,但在能見度低的水裡就難以前進,即使是游泳高手,或是有先進設備的潛水員,在能見度低的水中活動都很危險,但以另外一個角度思考,既然在這些水域中有各種各樣的生物能生存,自然有不靠可見光就能分清水中有沒有阻礙物的方法。

這次科學家參考了一種特別的魚類,即是能「放電」的魚類。人類一直知道有不少魚類能靠自己產生電流,例如鯊魚、電鰻、魔鬼魚等。科學家一直以為這些魚類放電只是為了麻痺獵物,但後來發現,牠們身體裡產生電流的器官還能在魚的周圍產生電場,而且整條魚的皮膚也能感應電場的變化,不但能偵測獵物,也能精確地感知附近的阻礙物。

已經有工程人員製造了利用電覺(electroreception)在水中來去自如的魚類機器人,他們相信只要技術成熟,甚至能用來協助視障人士的日常活動。

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電覺探測器靠感應電場的變化去感知附近的阻礙物,將來或可協助視障人士的日常活動

今集《零距離科學》還會為大家介紹,如何以仿生學改良風扇扇頁和滑浪板的設計,如何以居住在沙漠的螞蟻的生態學習設計導航系統,還有從讀取蝗蟲對阻礙物的反應來改良汽車撞擊警報系統。

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通風系統的扇葉加入了鋸齒邊,可以減少運行時的噪音,這一點是受到貓頭鷹的羽毛啟發
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日本新幹線列車的靈感來自翠鳥的嘴,這種設計可以將速度提升10%

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於8月7日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex