師法自然結構的動機

幾千年來，土木工程師運用前人所奠基的力學知識，設計並建造可以承擔自重、抵抗風力，甚至抵禦地震力衝擊的房屋、橋樑、土壩等各種結構體；歷史上，一個偉大工程的實現更是人類文明發展的重要推手、朝代興亡的潛在關鍵。而早在幾千幾百萬年以前，地球上的生物體就面臨了嚴峻的環境考驗：掠食者的尖爪與利牙、深海底下的高靜水壓、同物種間的競爭與搏鬥，在有限資源的條件下，生物體在大自然地淘洗過後，衍生出多樣化、或簡單或精緻的微結構，如此的「結構材料」具有高強度、高韌性、高瑕疵容忍的特性，引起材料界仿生的動機。

案例一：美國惡魔鐵鎧甲蟲──功能梯度與榫接結構

法新社報導，發表於「自然」（Nature）期刊一份新的研究報告指出，惡魔鐵錠甲蟲（Diabolical Ironclad Beetle）雖不再有祖先所擁有的「落跑飛行能力」，但演化出可防止被壓碎的外骨骼前翅－鞘翅（elytra）來保護自己 [1]。擷自「自然」（Nature）期刊

惡魔鐵鎧甲蟲（俗稱Diabolical Ironclad Beetle，學名Phloeodes diabolicus）棲息在美國南加州的乾旱地帶，牠的大小只比米粒再大一點，卻是動物王國裡目前已知擁有最堅韌、最耐壓的外骨骼的生物之一，超耐壓外殼讓它幾乎沒有天敵，踩不扁、捏不碎、大頭針也無法刺穿、被汽車輾過還能存活──惡魔鐵鎧甲蟲可以承受其體重3.9萬倍的壓力。

其實，惡魔鐵鎧甲蟲的外殼並不含鐵或礦物質，而是和其他昆蟲一樣由幾丁質和蛋白質所組成，而牠的超抗壓能力源自兩種關鍵的結構設計。第一，具有功能梯度的側向支撐，前段緊密契合可保護重要的內臟器官；而中段和後段在受壓時可產生局部或大幅度的變形，有助鑽進石縫躲藏或樹皮間隙中覓食。其次，拼圖狀的榫接結構將翅鞘緊密相連，其層狀的微結構受力時，層與層間可形成微小裂縫，造成體積膨脹，使突起與凹槽扣鎖得更緊密，大幅提升韌性與可靠度。這項發現有望解決不同材料的接合處因應力集中於較窄的頸部，造成脆性斷裂而提早失效的問題，可應用於航太、機械工程、建築等領域 [2]。

案例二：鮑魚殼珍珠層──層狀磚瓦排列

珍珠層跟粉筆多數都是由碳酸鈣組成，但是透過微結構調整，珍珠層的韌性高於粉筆3000倍，其中95%是硬一點的材料、5%是軟一點的材料，用類似磚塊、水泥建立牆壁的組合方式當架構。

台大土木系張書瑋教授指導的研究生蔡亞芸，由珍珠層得到啟發，與清大材料系陳柏宇教授團隊合作，設計具矩形與互鎖形幾何形狀的複合材料，透過3D列印與模擬的驗證，發現材料具有「兩階段」的破壞模式，大幅提升力學性質。此外，與矩形設計相比，互鎖形設計提供了單元間滑動的阻礙、透過摩擦力影響了應力散逸、硬材發生彈性變形以及整體複合結構膨脹，整體力學表現因而顯著提升 [3]。

案例三：台灣楓香果實──費氏數列晶格

楓香(Liquidambar formosana)是台灣常見的一種落葉喬木，有台灣果膠樹和路路通的俗稱。他的果序有輕量、抗壓、可恢復等優異的特性，其孔洞在果序表面的分布呈現「球面費式數列」的排列。透過電子顯微鏡觀察，可以發現有許多腔室與管狀的階層結構 [4]。

台大土木系張書瑋教授指導的研究生江元，由楓香果實得到啟發，與清大材料系陳柏宇教授團隊合作，設計了五種不同的二維孔洞分布，分別是Fibonacci (費氏)、Poisson Disc (柏松)、Hexagon (蜂巢)、Square (方形) 與Monte Carlo (蒙地卡羅)。模擬結果顯示，透過軟硬材適當的搭配，複合材料可以較單一材料大幅提升硬度、強度及韌性，其中以韌性最為顯著，可以達到十倍之多。而仿楓香之費氏複合材料在硬度、強度和韌性的增強上，相較其他四種複合材料達到最好 [5]。

八種生物結構元素

由以上三個案例可以觀察到，生物材料結合了多階層結構、複合材料組合與不同尺度間的強化/韌化機制，因此具備了輕、強、韌的優異特性。 2015 年 Steven Naleway 等人整理出八種最具代表性的結構設計元素，包括：纖維、螺旋、腔室、梯度、層狀、管

狀、縫合、交疊 [7]。生物材料多以一種以上的結構設計元素、多階層方式組合而成。

有別於人造材料的性質常取決於材料選擇，生物材料最擅長的是「結構設計」，常用的策略則是「減法」和「乘法」，能高效運用有限的材料達到輕量化，並藉由不同尺度結構間的增韌機制大幅提升功能性；不過，由於複雜的多階層結構使仿生材料製程困難度極高，因此如何找出關鍵可行的最佳化結構設計，人工智慧扮演重要的角色。

跨團隊合作開發仿生基因平台

由清大材料教授陳柏宇團隊領導之BioMGI為科技部補助之專題研究計畫（全名：利用仿生及材料基因數位技術平台設計並開發具優異機械性能之創新輕量化結構材料），團隊成員包含清大材料教授張守一、台大土木教授陳俊杉、副教授張書瑋、台大應力所助理教授周佳靚、成大工科助理教授游濟華。

透過跨團隊合作整合多階層結構分析、機械性質量測、多尺度模擬、人工智慧、機器學習、3D列印與功能驗證等，有系統的研究多種兼具優異機械性質的生物材料，開發出數千種可能，歸納出最適合的材料，做後續驗證與商業應用。較為成熟案例是仿生孔洞結構應用在製作跑步鞋鞋底的材料，針對鞋底前中後段有回彈、支撐、緩衝等需求做區域化與客製化設計，突破傳統鞋底難以兼顧不同需求的限制，概念源頭則是來自於動物腳掌的肉墊。目前跟工研院與廠商正在前期測試階段。

參考文獻與相關報導

[1] 聯合新聞網 “這款甲蟲車子都壓不死！科學家解堅殼奧秘”
https://udn.com/news/story/7470/4955092?fbclid=IwAR1JSQCgzU3mlZyVfd62CWh4V5CzLwRyD9LwITWiRKbskKQGH8xdwoNWE9I

[2] 中央社報導 “汽車壓不死的甲蟲科技部導入AI助攻仿生新材料” https://www.cna.com.tw/news/ait/202103240170.aspx?fbclid=IwAR3nTwpiz4pVHhaHuTdbl-dkaHpdZ6JC02ns8TiI2aklsgEvZD2nkjSJzKg

[3] Ghimire, Ashish, Ya-Yun Tsai, Po-Yu Chen, and Shu-Wei Chang. “Tunable interface hardening: Designing tough bio-inspired composites through 3D printing, testing, and computational validation.” Composites Part B: Engineering (2021): 108754.[4] Tung, Cheng-Che, Hsin-Jui Wang, and Po-Yu Chen. “Lightweight, compression-resistant cellular structures inspired from the infructescence of Liquidambar formosana.” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 110 (2020): 103961.

[5] Chiang, Yuan, Cheng-Che Tung, Xiang-Di Lin, Po-Yu Chen, Chuin-Shan Chen, and Shu-Wei Chang. “Geometrically toughening mechanism of cellular composites inspired by Fibonacci lattice in Liquidambar formosana.” Composite Structures 262 (2021): 113349.

[6] Tsai, Ya-Yun, Yuan Chiang, Jacqueline L. Buford, Meng-Lin Tsai, Hsien-Chun Chen, and Shu-Wei Chang. “Mechanical and Crack Propagating Behavior of Sierpiński Carpet Composites.” ACS Biomaterials Science & Engineering (2021).

[7] Naleway, Steven E., et al. “Structural design elements in biological materials: application to bioinspiration.” Advanced materials 27.37 (2015): 5455-5476.

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