仿生學基礎與應用－蓮花效應、肋條結構等工程應用的簡單易懂講解

什麼是仿生學？

仿生學是模仿生物體經過數百萬年的進化而形成的特徵和生存策略以應對人類挑戰的實踐。

自從大約38億年前生命在地球上出現以來，為了生存，地球經歷了令人驚訝的高效而精細的進化。隨著時間的推移，人類從這些生命形式中汲取了有益的適應性，並以各種方式將它們融入文明。

例如，當人類想要飛翔時，他們首先想到的是自由翱翔在天空的鳥類的翅膀。在15和16世紀的文藝復興時期，達文西觀察飛翔的鳥類和昆蟲，試圖探索飛行的奧秘。 1853年，英國工程師喬治凱利專注於海鷗的滑翔運動，發明了滑翔機，記錄顯示，飛行員成功飛行了100多公尺。後來，德國學者奧托·李林塔爾等人對滑翔機進行了改進，以增加飛行距離，最終促成了美國萊特兄弟於1903年首次成功駕駛載人動力飛機。

除了飛行之外，其他自然機制，例如荷葉、蛾眼、壁虎足等，也激發了各種技術創新。在工程領域，仿生學超越了單純的物理外觀模仿，能夠揭示原理、重現功能並創建應用。設計師和工程師可以從大自然的藍圖中獲得靈感，從而實現更高的耐用性、更高的效率和更少的材料消耗等優勢。

日常生活中的仿生學例子

接下來，讓我們來探討仿生學對現代科技帶來改變的一些實際應用。

蓮花效應：受自然啟發的自清潔表面

蓮花生長在泥濘的沼澤中，但其葉片表面卻始終光彩奪目，水滴形成水銀般的球體，輕盈地滾動。水滴滾動時會帶走沙礫和灰塵，使葉片保持潔淨。這種自清潔機制的實現得益於葉片表面的微米級和奈米級結構以及疏水性蠟質。這種所謂的「蓮花效應」已應用於優格蓋、建築外牆材料等各個領域。蓮花效應的主要特徵如下：

• 超疏水性：葉片表面覆蓋著極小的結構（稱為微乳頭的結構，頂部有奈米級蠟晶體），最大限度地減少了這些結構與水滴之間的接觸面。因此，水滴在超疏水葉片表面形成球體，接觸角大於150°C。
• 自清潔功能：水滴形成球體並滾動時，會吸附並帶走表面污垢。這種效應使植物能夠保持葉面清潔。
• 低摩擦：微米和奈米結構形成的薄空氣層可減少表面摩擦。

蓮花效應的應用

模仿荷葉結構的技術已經融入我們日常生活中使用的許多產品中。

• 汽車玻璃塗層：擋風玻璃處理，可防雨水，使視野更開闊
• 建築外牆材質：耐污、可透過雨水自然清洗的外牆塗料和窗玻璃
• 醫療器材：抑制細菌黏附的表面
• 功能性服裝：防水防污布料

蜂巢結構

蜂巢結構模仿了蜂巢中重複的六角形圖案。這種六角形蜂巢排列是自然界中最節省材料的結構之一。其主要特點如下：

• 極高的強度重量比：提供出色的剛性，同時最大限度地減少材料使用。
• 減震：受到撞擊時，六角形孔洞會變形，分散並吸收能量，進而達到優異的避震效果。
• 隔熱和熱分佈：帶有氣穴的分層細胞結構有利於隔熱和熱管理。

工業應用

蜂窩結構已被應用於各個行業。

• 航空：用於飛機和太空船的結構部件，以製造重量輕但堅固的零件。
• 汽車：應用於減震結構和車身加強材料
• 建築：用於絕緣板和輕質但堅固的建築材料
• 電子設備：提高散熱效率的散熱器結構

鯊魚皮啟發肋排加工

鯊魚皮表面有一系列微小的縱向凹槽，形成了所謂的「肋狀結構」。這些結構可以減少水的阻力，使飛機能夠在海洋中有效地高速移動。飛機製造商目前正在開發一種仿鯊魚皮的薄膜，這種薄膜具有微小的結構，可用於飛機表面以減少阻力並提高燃油效率。據稱，這種「肋狀結構」有望將空氣動力阻力降低高達8%，從而顯著節省燃油。

骨骼結構啟發輕質高強度材料

動物骨骼內部含有海綿狀多孔結構（小梁），結構重量輕且強度高。模仿這種結構的輕質堅韌材料正應用於汽車底盤、飛機機翼和機身框架等。此外，骨骼的多孔結構能夠吸收並分散衝擊力。在汽車保險桿和車架中使用類似骨骼的結構和金屬泡沫，可望有效吸收衝擊能量，並提高乘員安全。

沙漠昆蟲角質層啟發耐熱結構

沙漠昆蟲進化出了特殊的角質層結構，以便在溫度超過50℃的極端環境中生存。例如，生活在撒哈拉沙漠的撒哈拉銀蟻利用角質層上的銀毛結構和三角形突起，有效反射可見光和近紅外光（700至2500奈米）。研究表明，這種結構可以漫射和反射至少90%的陽光，並最大限度地減少熱量吸收，從而將體溫降低約10℃。據報道，模擬這種結構的奈米結構塗層可以提高太陽光反射率，並將建築物表面溫度降低15至20℃。

珊瑚凹槽啟發電池冷卻板設計

Coral 具有複雜的凹槽結構，可透過增加表面積促進水流帶來的熱交換。據報道，模擬這些珊瑚凹槽的汽車電池冷卻板比傳統產品可將冷卻性能提高 10%，並將壓力損失降低 20%。這些改進有望縮短充電時間，並透過使電池更接近 20 至 40℃ 的最佳溫度範圍來延長電池壽命。

壁虎腳結構激發膠帶靈感

壁虎可以像忍者一樣在牆上行走，這要歸功於它們腳上的納米級毛髮，這些毛髮通過范德瓦爾斯力實現了強大的分子級粘附力。這些結構已應用於膠帶的開發，以固定科學實驗的分析材料。由於膠帶無毒、可重複使用且不會留下殘留物，因此可用於固定掃描電子顯微鏡等分析樣品。

蚊子的喙啟發人們發明無痛針

蚊子的喙部擁有多個尖銳的針頭和鋸齒狀結構，能夠幾乎毫無阻力地刺入皮膚吸血。這種機制正被用來開發無痛注射器微針。

蟬翼表面結構啟發抗菌技術

蟬翼表面覆蓋著奈米柱結構，可物理破壞細菌膜，防止細菌黏附。模擬此結構的抗菌膜已被證實無需使用化學殺菌劑即可發揮物理抗菌作用，目前正應用於醫療領域。

蜘蛛絲啟發導電纖維

蜘蛛絲因其奈米級的分層結構而比鋼更堅固，且具有極高的彈性。目前正在研發一種纖維，透過將導電聚合物和碳奈米管整合到蜘蛛絲結構中來模擬這些特性。人們期望這將帶來輕巧耐用的傳感器和可穿戴設備。

仿生科技的最新趨勢

仿生學在工業產品中的應用的最新進展引發了以下趨勢：

超細結構驅動的變化

微細加工技術的進步使得在比以往更小的尺度上重建生物結構成為可能。能夠以前所未有的精度複製精細的仿生表面結構，並將其應用於物理學、光學、流體力學等眾多學科領域，從而引發創新產品的誕生。

多功能材料開發

生活在極端環境中的生物體組織可以同時具備多種功能，例如隔熱、表面保護、防水和抗菌。模擬這些生物體材料的開發，正在推動具有這些生物體特性的材料的進步，例如檢測和響應環境變化，或兼具防水和抗菌特性。

為材質添加自修復特性

生物體受損後能夠自我修復。受這種生物自癒機制的啟發，一些研究人員正在探索開發具有自癒功能的聚合物和複合材料，以延長產品壽命並減少維護需求。

超高效率的能源利用

在自然界中，所有生命形式都透過極其高效的化學利用從食物或陽光等來源獲取的能量來維持生命活動。人們正在利用這些高效的生物能源系統來研究不依賴傳統化石燃料或電力的新能源系統。

抗反射飛蛾眼結構技術及其應用

憑藉其在材料開發方面的記錄，Dexerials 在產品設計中利用了這些仿生概念。我們的蛾眼型防反射膜就是一個例子。使用微加工技術（我們的核心技術之一），我們創建了模仿飛蛾眼微觀表面的蛾眼結構。 該產品因其優異的防眩光性能而用於汽車顯示器和平視顯示器。
飛蛾眼結構：終極防反射技術

此外，我們的防反射膜蛾眼型也已作為醫用面罩 DxShield 商業化。這種面罩在長時間手術中被許多醫生廣泛使用，因為它可以減少眩光並防止起霧。
蛾眼型防反射膜醫用防護罩的優點

有關實現這些產品的 Dexerials 微加工技術的更多詳細信息，請參閱以下文章。
透明減反射膜－最新的微結構技術

透過將仿生技術融入產品設計，工程師可以利用生命體在進化過程中發展出來的機制來解決各種各樣的問題。迪睿合將持續與顧客攜手，結合微加工、濺鍍、有機材料複合等技術，不斷探索新的仿生技術。