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2019-08-01挖掘更多仿效生物的可能─紀凱容專訪 596 期

Author 作者 李依庭/本刊主編。
世界上富含各式物種,且形貌、顏色、結構其各有自。然而,種間的差異性與適應環境有什麼關聯,各物種又是如何面對來自大自然的挑戰?因好奇物種形態變異的前因後果與演化的來龍去脈,釐清生物生存適應背後的物理法則,成為紀凱容一生追尋的目標與志向。

生物與力學的結合

雖然目前任教於物理系,但紀凱容大學時期就讀的是動物系,對生物形態與環境適應深感興趣。因此,在大二暑假加入生態實驗室後,便協助學長姐們進行各種樹蛙的棲地調查及行為生態研究。然而,在進行野外工作的過程中,紀凱容發現自己無法耐住性子在外進行長時間的觀察實驗,對從田野調查中收集基礎資訊和數據,從而進行統計分析的研究方法並不嚮往。

不過,協助野外調查工作也並不無收穫,在研究過程中,她觀察到不同物種的樹蛙雖然都有膨大具附著功能的吸盤,但體色、生活棲地卻各有不同,也讓她開始思索不同物種的樹蛙何以選擇不同的生活棲地?在不同微棲地生活的物種是否具不同的附著能力?此差異是否與吸盤結構有關?樹蛙的行為又如何影響整體的攀附表現?這些問題遂成為她的大專生研究計畫以及學士論文主題。「相較於直接在野外觀察找答案,我比較喜歡從野外的觀察來找問題,再將問題帶回實驗室,在一個可以操控變因的環境下研究並檢驗假說。」紀凱容說道。

研究固然饒有興味,但當時臺灣的學術風氣認為生物和物理在訓練上是兩條截然不同的路,除了以人為本的醫學和體育外,尚無運用力學原理來探究生物系統的學者。在指導教授林曜松的鼓勵下,大學畢業後直接赴杜克大學(Duke University)攻讀博士,論文研究探討哺乳動物的腳底脂肪墊的功能形態與生物力學:這類不隨身材胖瘦改變而是作為支持功能的皮下組織,其組織結構和材料特性等是如何影響運動時與地面的接和相互作用力?不同體型的陸生哺乳動物的脂肪墊力學特性是否隨腳面積和足底壓力的增加而改變?

當年在臺求學時期苦無相關領域的學習,也讓紀凱容一心想著學成歸國後要將此有趣領域帶回臺灣的初衷。然而,博士論文以陸生哺乳動物為研究對象的她也體認到在臺灣延續相關研究的困難;而臺灣是海島國家,具有海洋生物多樣性上的優勢,因此,便利用畢業前赴華盛頓大學的海洋實驗室(Friday Harbor Laboratories, University of Washington)進行暑期課程時,將研究觸角伸至水生系統,探討魚類鼻腔形態結構、入流動力機制和鼻腔內流體力學等課題。

畢業後,她選擇至臺大海洋研究所進行博士後研究。期間,運用力學、尺度分析來協助探討珊瑚在不同棲地的生長與形態變異。當時,興大物理學系正要發展生物物理學,在受邀演講過程中與師生們的智識互動,成為她申請教職的契機。「在臺灣,生物力學研究主要在生醫工程和運動科學(體育)領域,動、植物的生物力學幾乎無人探究;我一直認為人多的地方不差我一個人,比較喜歡往人少的地方前進。」憑著這股不「循規蹈矩」的氣魄,也開啟她與臺灣仿生的不解之緣。

 

最初的仿生

人類師法自然並非新鮮事,鳶飛魚躍、蓮出淤泥而不染等都給古人許多啟發。相對於東方發展出的哲學情操,在西方卻開啟科技發明之路,透過觀察人體或動物結構得到靈感,發明各種機器,例如文藝復興時期達文西的撲翼飛機和1876年貝爾(Alexander Graham Bell)因耳朵構造及功能機制所發明的電話等案例。

縱使仿生案例比比皆是,但仿生科技的新熱潮在1990年代於西方重興。紀凱容認為主要原因有二:早期的仿生著眼於直接模仿結構、形狀,然而,隨著資源與能源的耗竭,進一步思索如何學習大自然的運作法則,期望以最少能量來達到最適的效果,並能與環境永續共存;另一個促進仿生發展的重要因素則是科技的進步,因著無論在量測或製程,解析度均突破過去的限制,開啟細微結構的研究和製造。「在時代的變遷下,因為資源的減少與科技的進步,才得以讓仿生設計從以往宏觀尺度的觀察以及結構的單純模仿,轉型成現今由自然啟發的永續科技發明。」紀凱容說道。仿生概念的轉型與重建,也是造就其復興和盛行的主要原因。......【更多內容請閱讀科學月刊第596期】