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仿生科技概論

測量系 104 級學號 :F64001062姓名 : 鄭豪指導教授 : 李旺龍

仿生科技概論

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蝙蝠的回聲定位

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仿生學

他是科學技術和生物學的

一個交叉的學科，從更廣

泛的意義來講呢，它實際

上就是把生物或是說更廣

泛的一個生物群體，他們

在很多的一些生理特性比

如說他們捕食、躲避危險

包括隱藏，有自身生存能

力的很多拿手絕活或是說

獨樹一幟的這種本領把他

單獨的凸顯出來而把這種

性能應用在設備或用品的

某種特殊的領域，從而給

人類科技帶來革命性的這

樣一個效果。

壁虎的吸附力

蜘蛛的網子

響尾蛇的熱定位

上課的範例 --( 壁虎 )

如何從生活中思考仿生科

技對於人類生活發展的影

響？我們可遵循以下步驟 :

步驟一 : 觀察多去觀察我們周遭所發生

的現象，儘管看起來多麼

不起眼，有些現象還是暗

藏著許多大自然的智慧。

在壁虎的這個例子中，就

是觀察他飛簷走壁的本領

才有對育壁虎附著力的研

究。

觀察壁虎的行為

步驟二 : 推測由於壁虎在過去的黏著力，

備受矚目，其原因已有多

種揣測：分泌黏液、真空

吸引力、靜電吸引力、摩

擦力、微交錯作用、凡得

瓦爾力、毛細管作用力等

七大假設。

步驟三 : 分析◎分泌黏液─我們從未看

過壁虎爬過後留下痕跡，

因此此假設被打破。

◎真空吸引力─真空吸引

力大小與週遭的大氣壓力

有關，但是壁虎在不同大

氣下，其附著力卻依然支

撐著自己的重量，因此也

打破了此項說法。

◎靜電吸引力─此為兩非

導體物質之間之價電子轉

移，使其電性相異而產生

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蝙蝠的回聲定位

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靜電效應。但此想法後來

被迪歐特的實驗打破。它

利用 X 光隊空氣離子化，

使空氣充滿正負電荷，排

除壁虎利用靜電吸引力的

可能性，但壁虎在此狀態

下依然保持其原有的附著

力，因而推翻此說法。

◎摩擦力─研究指出，此

對壁虎之附著力為次要因

素。再說，當壁虎於天花

板倒掛行走時，力量作用

方向與表面垂直，因此磨

擦力的說法是不可能的。

另外，奧特姆教授利用光

滑高梳水性的晶圓對壁虎

作測試，壁虎依然吸附其

晶圓上，如此便完全地打

破了磨擦力的說法。

◎微交錯作用─此為迪歐

特提出，但相同地在奧特

姆教授的晶圓實驗下，驗

證壁虎附著力與表面粗操

程度無關的事實。

◎凡得瓦爾力─又稱為倫

敦力。其力量在巨觀下常

被忽略，但此現象就好比

一堆不具磁性的鐵塊，其

中一塊突然自行磁化，連

帶週遭的鐵塊產生連鎖反

應造成彼此間之吸引力。

因此凡得瓦爾力在自然界

中無所不在，而當兩物體

距離極近時，則產生意想

不到的作用。甚至成千上

萬的凡得瓦爾力同時出現

時，其力量不容小覷。而

胡貝爾博士透過原子力顯

微鏡技術，利用力量與距

離曲線，決定壁虎匙突之

附著力，成功重現壁虎剛

毛附著力量，並支持凡得

瓦爾力作為壁虎主要黏著

機制的說法。

◎毛細管作用力─另外，

胡貝爾博士嘗試在不同濕

度下集鄉一疏水性材料表

面，對壁虎匙突進行黏著

力測試。同年，諾依齊博

士與其同僚也透過原子力

顯微鏡的方式針對匙突處

於多種濕度下及水中的力

量作測試，最後都說明其

黏著力也受溼度和所接觸

表面的材料疏水性影響，

毛細管力量也起了相當程

度的作用。與凡得瓦爾力

有點不同。

步驟四 : 總結總結以上七項說法，似乎

原因為凡得瓦爾力及毛細

管作用力造成，但奧特姆

教授發現，壁虎腳上那些

由天然 β 角質剛毛聚集成

的整體表面，具有接觸角

及高的疏水特性。並在兩

疏水性極端不同的接觸表

面測量到黏著力帶來的作

用力，但因為凡得瓦爾力

可以在兩個疏水性及高的

表面作用，因此奧特姆認

為是因為大面積接觸下的

匙突才造成如此獨特性質。

但其認為這不足以證明，

還有矛盾。最後亞斯特博

士的研究中得到解答。一

般來說，兩平面接觸時並

非完全貼平接觸，因此接

觸部分似許多微小區塊。

普通表面充滿溼氣環境下，

水氣慢慢凝結於此，造成

表面像被膠水黏住般，此

為「毛細水橋」。在濕度

低時，水橋不會出現，但

在濕度高時，其水分子也

不會超過兩層的厚度，也

不會出現水橋，因此亞特

斯認為毛細作用力不存在

於壁虎黏著力中。甚至才

猜測其水分子的增加與凡

得瓦爾力之鍵結有關。因

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此，綜合以上論點與實驗，

我們可以說，壁虎之黏著

力主要藉助於凡得瓦爾力。

步驟五 : 聯想與應用應該有很多人看過不可能

的任務 4 吧 ! 其中有一幕

就是阿湯哥帶著壁虎手套

爬杜拜塔吧 ! 這就是一個

很好的例子

阿湯哥帶著壁虎手套

關聯圖

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蝙蝠的回聲定位

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蝙蝠的回聲定位

步驟一 : 觀察我們常常可以在電視中看

到在山洞中有許多的蝙蝠

棲息於此，而我們又了解

蝙蝠為夜行性生物，住在

漆黑的山洞又是在夜晚活

動，蝙蝠如何去判斷方向

呢？

蝙蝠生活在漆黑的洞窟中

步驟二 : 推測

我 們 可 以 推 測 可 能 是 : 視

覺定位、複眼定位、嗅覺

定位、紅外線熱定位 、鬍

鬚感測、或是回聲定位

步驟三 : 分析◎視 覺 定 位 ─ 我 們 已 知 在

這麼暗的環境下，不可能

是 用 視 覺，askNature 的

實驗證明蝙蝠在沒有光線

的情況下也準確捕捉到獵

物，因此此假設被打破。

◎複 眼 定 位 ─ 原 因 同 上，

再加上蝙蝠跟沒有複眼，

因此也打破了此項說法。

◎紅 外 線 熱 定 位 ─ 這 種 定

位方法為一些特殊的蛇類

所擁有，他們在兩頰的部

位有一個凹下去的地方，

我們稱為頰窩，而這個部

位其實有一個非常精密的

熱定位功能，而貶幅沒有

這種類似的器官，在加上

由食物的來源推測蝙蝠的

食物來源多為冷血動物或

水果，因此也沒有必要用

熱定位，並打破了此項說

法。

頰窩有熱定位的功能 ( 紅圈出 )

◎鬍 鬚 感 測 ─ 為 海 豹 利 用

極度靈敏的鬍鬚來偵測魚

兒游動所產生的細微水流

運動，而我們在蝙蝠的圖

片 上 也 幾 乎 沒 有 看 到 鬍

鬚，因此也打破了此項說

法。

◎回 聲 定 位 ─ 蝙 蝠 的 視 力

退化，眼睛也慢慢變小，

但相較於其他器官，如有

一些種類的面部進化出特

殊 的 增 加 聲 音 接 收 的 結

構，如鼻葉、臉上多褶皺

和復雜的大耳朵。，因此

此項說法最有可能。

鼻葉、臉上多褶皺和復雜的大

耳朵

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步驟四 : 總結

總結以上六項說法，似乎

是 回 聲 定 位 是 最 有 可 能

的，但在上網查到的資料

中卻有一些例外的，少部

分體型較大的蝙蝠視力並

未退化，所以還是用視覺

定位，但大部份的蝙蝠還

是用回聲定位的較多。

蝙蝠的回聲定位加上眼鏡

步驟五 : 聯想與應用

我們最常見的例子就是倒

車 雷 達 了 吧 ! 許 多 人 家 都

有在車後加裝此器具，而

其功能就像是蝙蝠在用回

聲定位判斷與障礙物的距

離 的 道 理 是 一 樣 的， 另

外，蝙蝠在黑暗中飛行就

像是盲人在行走一般，我

們是否能運用回聲定位在

幫助盲人判斷方向，這也

是一個非常棒的想法。

人們不再需要導盲犬了

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