杜風 87 期 特別報導

電影阿湯哥飛簷走壁的關鍵：生物啟發式概念

林子剛

國立交通大學土木系助理教授

 


近年來生物啟發式概念（Bio-inspired Concept）逐漸的成為一門新興的研究課題。生物啟發概念主要是希望能複製或是模仿造物者於生物學上所顯現的精細原理，透過整合不同領域的尖端技術，進一步開發出新的工程解決方案。其所牽扯的專業領域而言，生物啟發概念在生物學領域，涵蓋了許多專業領域諸如：分子細胞生物學，基因工程，發育生物學，有機生物學，臨床醫學等。而在工程領域則包含了生物醫學工程、化學工程、機械工程、電氣工程、機器人技術等。若就物理科學的角度而言，化學、物理、材料科學和奈米技術均為生物啟發式概念所探討之範疇 [1]。

截至目前為止，許多應用生物啟發式概念所開發出的新技術，已經被落實於醫藥及工程界，而因此一概念所啟發的大量潛能，更使得生命科學、工程和物理科學間相互的結合，不斷的演繹前進。生物啟發概念期望能透過深層探索細胞、組織和生物體於控制及適應環境上之優勢，進一步將創新的技術，落實為滿足現實世界挑戰的產品。

以上的文字說明或許過於拗口不易理解，但透過下面兩個簡單範例，相信讀者們將更可接受所謂生物啟發式概念。

提到生活中不可或缺的馬桶，大家一定對於近年來劉德華與志玲姊姊代言的智慧型馬桶印象深刻。然而，所謂的智慧型，除了華麗複雜的電子設備外，更是因為該項產品於材料上結合了突飛猛進的奈米技術。借由仿效大自然中水珠能夠懸浮於蓮葉上之蓮葉效應，在馬桶表面塗上奈米疏水性材料，讓奈米馬桶具有低表面能的低污染特性，再加上疏水特性，可以在沖水時讓水珠滾動來移除髒污，保持馬桶乾淨。

 

 
圖1  智慧型馬桶與蓮葉效應 [2-3]

 

另一個例子，阿湯哥（Tom Cruise）在「不可能的任務四」電影中，身手矯捷的靠著兩隻造型特殊之通電手套，便於世界第一高塔杜拜哈里發塔(Burj Khalifa)上來去自如與歹徒周旋，相信大家一定仍印象深刻；而其中所蘊育的概念，便是來自於自然界中壁虎可隨意攀牆及垂直移動。壁虎之所以能夠於垂直面上移動，依靠的是物理學上存在於分子間正負電荷吸引力的凡得瓦力（Van der Waals force）。壁虎的腳趾上有百萬根的剛毛（setae），相當於300萬根／平方英吋，每根長大約為人髮直徑之2倍，且其尖端具有約400~1,000根微細纖毛（spatulae），長約200 ~ 500奈米。雖每根纖毛僅能提供很小的吸附力，但數百萬根細毛一起作用的話，其吸附力最大可以達120公斤，也因此提供了壁虎上天下海的通天本領。而片中所謂的「壁虎手套」，便是另一個成功結合了生物學與物理學，並利用逆向工程所複製出的人造系統 [4]。

 

 
圖2  壁虎手套與凡得瓦力效應[5]

 

以上兩個範例似乎均侷限於材料領域（硬體）上。實際上，生物啟發式概念，更包含了所謂生物啟發式計算（軟體）。生物啟發式計算，或稱仿生計算，主要為將生物學、計算機科學和數學加以結合的一整合型領域，藉由利用計算機來模擬各種生命現象及其優點。不同於人工智能偏向以造物者的角度解決問題，生物啟發式計算採取更趨向演化的方式。在傳統的人工智能，所謂的智慧往往是從上而下 (Top-down)將所謂的智慧移植入系統中，近年來坊間大量流行的各式吸塵器機器人，可視為其鮮明代表 [6]。而在生物啟發式計算，則採用下而上的、分散式的邏輯概念（bottom-up, decentralised），使建立的系統更具彈性及可適性。

 

圖3  人工智慧與吸塵器機器人之結合

 

類神經網路模型與遺傳基因演算法可稱為生物啟發式計算之鼻祖，而近年來隨著分子生物學 （Molecular Biology）、生物資訊學（Bio-informatics）及電腦運算速度的快速發展，加上2000年6月人類基因組定序完成的推波助瀾，生物啟發式概念之相關研究在各領域有如星火燎原，吸引了大量的研究學者與資源投入。而土木工程領域之相關研究發展則於2007-2009間逐步醞釀，並在2009年美國國家科學基金會補助12個與BioSensing and BioActuation議題相關之研究計畫後正式展開[7]。2010年，美國國家科學基金會進一步於Advanced Sensors and Bio-Inspired Technologies (ASBIT) 領域支援美國／亞洲／歐洲之國際合作計畫，主題包含環境監測、基礎建設安全的維護、微奈米級感測元件、感測材料及資訊處理邏輯等，使許多土木界之研究學者開始投入並獲致良好的研究成果 [8]。以下即摘錄三組以生物啟發式概念為基礎之研究成果。

  1. 啟發自人類的皮膚能感應外在的冷、熱及力量，University of California, Davis 的Professor Loh 研究團隊專注於研發Skin sensor為概念之複合膜交叉型感測器(Zinc oxide nanoparticle-based piezoelectric thin film for active sensing)，並用於主動感應及損壞偵測。透過將複合膜交叉型感測器薄膜黏貼於物體或結構物表面上，可量測得其表面波及板波並加以分析，藉此達到損害偵測之目的。其所用之壓電材料（氧化鋅／二氧化矽）因能反應動態應變並產生電場，藉此達到偵測的功能，故適用於感應器及制動器，近年來亦已被提倡為適用於結構物損壞監測及健康診斷的特殊材料 [9]。

 

圖4  複合膜交叉型感測器及其Skin概念

 

  1. University of Maryland 的Professor Flatauu研究團隊，為了模仿生物本能，持續致力於發展功能性特殊材料，諸如磁制伸縮材料（magnetostrictive materials），這種材料會因磁場變化而形狀隨著變化，如此即可即時偵測周遭環境。而研究中更將其設計如觸角或毛髮一樣細長，使其在水中能柔軟變形並克服強勁水流的衝擊。實際應用於量測沖刷方面，此一傳感器已被裝於橋梁基礎或是橋墩上，藉以感應周圍沉積物運動情況並發出訊號，以真實反應出該地區實際沖刷情形 [10-11]。

 

 
圖5  磁制伸縮材料感測器及其觸角概念[12]

 

  1. Stanford University的Professor Kiremidjian研究團隊，有鑒於一般結構健康診斷技術僅能針對較嚴重之結構破壞情況進行偵測。為了能提升針對微量破壞之精準度，將生物資訊學中以DNA序列診斷疾病之概念導入訊號處理學，進行一系列之研究與實驗驗證。研究中賦予由微震訊號中所萃取出之識別參數，類似結構DNA之角色，並透過最佳化程序挑選，重新排列出最適合之序列以作為快速診斷之依序。配合圖像識別技術（Pattern Recognition Technique）及小型資料庫，此研究已證實可快速精準的偵測諸如螺栓鬆脫等微小結構變化，而所研發之機動式模組更可快速彈性化的實際佈設於任何結構中 [13]。

 

圖6  生物啟發式結構健康診斷系統及其DNA序列概念

 

展望未來，生物啟發式概念已從過去的青澀發展階段，逐步的趨向快速成長成熟期。在研究領域上，學術期刊「International Journal of Bio-Inspired Computation」、「Biologically Inspired Cognitive Architectures」等，以及專題性研討會 「International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing」及「International Conference on Bio-inspired Information and Communications Technologies」，均使此一領域之專業知識與訊息能快速流通與共享。

而在產業應用上，生物啟發式概念亦逐步的在各領域中佔有一席之地。例如Qualcom這幾年來主打的mirasol電子紙，就是來自蝴蝶振翅的靈感[14]；美軍國防高等研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency , Darpa）亦於2010年投資630萬美金給通用電氣（General Electric Company, GE），希望透過奈米技術結合仿生蝴蝶翅膀結構，開發新一代的感測器。這項新的技術除了體積小、成本低，其高靈敏度更是令人注目，所生產的感測器將可應用在諸如環境監測、水質檢測、呼吸檢測與傷口癒合檢測等領域 [15]。2014，Darpa更進一步透過一名為「Z-Man」的計畫，期望能夠讓美軍可以如阿湯哥般攀爬高牆。研究中已成功製作一種易撕易貼之人工壁虎皮。一張約103平方公分的人工壁虎皮，透過實驗已能承受299公斤的重量。而重達99公斤的研究人員於著裝後，更已可成功攀上7.6公尺高的玻璃牆 [16]。

 

  
圖7  仿生蝴蝶翅膀感測器及人工壁虎皮 [15-16]

 

造物者開天闢地，而各種生物為了能在嚴苛的環境下存活，發展出許多特殊的功能與特性。生物啟發式概念，便是希望能夠透過觀摩、效法、學習，啟發出更符合需求的技術與產品。身為一位土木工程師，除了在各項專業知識上持續自我充實外，不妨也多觀察一下周遭環境。或許，下一個大紅大紫的生物啟發式概念，就會在下一刹那的電光火石間，出現在你我的腦海中，徹底改變人類未來的生活。

參考文獻

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Biologically_inspired_engineering]

[2] http://s.web66.com.tw/_file/C11/117487/AB/1243950091565pic1.jpg

[3] http://www.nwselfhealing.com/home/

[4] http://nano.nstm.gov.tw/NaturalPhenomenon/OtherPhenomonon/UnderstandingOt  
herEffect.htm

[5] http://www.movieblogbuster.com/2011/12/25/mi4-ghost-protocol/

[6] http://www.irobot.com/us/learn/home/roomba

[7] http://www.nsf.gov/eng/efri/fy09awards_BSBA.jsp

[8] http://www.nsf.gov/pubs/2011/nsf11024/nsf11024.jsp

[9] Meyers F, Loh K, Dodds J, Baltazar A. Active sensing and damage detection using  
piezoelectric zinc oxide-based nanocomposites. Nanotechnology 2013; 24(18):    
185501.

[10] Steven R. Day, Ganesh Raghunath, Spencer Stebbins, Souk Min Na, and Alison
Flatau, Member, IEEE and R. Andrew Swartz. On-Going Testing of Prototype
Full-Scale, Bio-Inspired Scour Monitoring Systems. Proceedings of the 6th World
Conference on Structural Control and Monitoring (6WCSCM),July 15-17, 2014,
Barcelona, Spain.

[11] Hein, M.; Maqableh, M.; Delahunt, M. J.; Tondra, M.; Flatau, A.; Shield, C. K.;
Stadler, B. J. H. Fabrication of BioInspired Inorganic Nanocilia
Sensors. 2013, 49, 191. DOI: 10.1109/TMAG.2012.2224852

[12] http://myazure.blogspot.tw/2011/03/blog-post_25.html

[13] Tzu-Kang Lin, Anne Kiremidjian, Chi-Yang Lei. A Bio-inspired Structural
Health Monitoring System Based on Ambient Vibration. Smart Materials and   
Structures, 2010, Sep ,Vol 19, Number 11, 115012.

[14] https://www.qualcomm.com/products/wipower

[15] http://www.membraneswitchnews.com/3118/ge-develops-bio-sensor/

[16] http://www.darpa.mil/Our_Work/DSO/Programs/Z_Man.aspx

 

 

 

 

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