師法大自然,生活中的仿生設計

15 世紀,李奧納多‧達文西(Leonardo da Vinci)曾在筆記上寫道,蝙蝠和雀鳥是他創造撲翼飛行器的靈感來源,就算最後失敗了,他仍繼續研究鳥類的滑翔飛行,而這間接促成了李林塔爾(Otto Lilienthal)藉由觀察鸛的翅膀製造出滑翔機。這些飛行的先驅們創造的,就是我們於 20 世紀後所說的「仿生設計」。

顧名思義,仿生設計就是「模仿生物」去設計物品和機器,使人造技術具有生物靈敏、精巧與節約的特性。現今已有愈來愈多來自不同領域的人加入研究仿生學,其中最大的魅力,或許是期許大自然能夠解答亟為迫切的環保和能源問題。旅行搭乘的新幹線與飛機也是重要的案例:

新幹線

圖 劉倩帆

新幹線 JR500 系列車的流線型設計充滿近未來感,時速最高可達 350 km/h。「讓它跑很快並不難,」工程師仲津英治曾在接受雜誌訪問時解釋道,「問題是噪音,日本新幹線就在你住宅旁邊,你愈追求速度,它發出的噪音就愈大。」

日本的噪音受到政府嚴格的法規管制,新幹線軌道中心起的 25 公尺外,測出的聲音必須低於 75 分貝,幾乎等同家裡吸塵器發出的分貝,當新幹線列車高速進入隧道時,會撞擊隧道內靜止的空氣,產生高壓波,該高壓波在抵達隧道出口時,空間會突然擴大,壓力一下子釋放,進而產生巨大且不悅耳的噪音,這種噪音會穿透民宅窗戶,民眾抱怨自家嬰兒常因此半夜驚醒哭鬧。

身為愛鳥人士的仲津英治這時想到了翠鳥,牠可以像一支箭高速衝進水中抓捕獵物,卻不會激起任何水花,因為翠鳥尖銳且修長的鳥喙,能減緩水的阻力衝擊。仲津英治在仔細觀察翠鳥後,進行了大規模的實驗,再用電腦進行資料分析,成功模仿翠鳥,設計出 JR500 系宛如有長鼻子般又尖又長的車頭,讓行駛阻力減少了三成,既解決了噪音,耗電量也減少了 15 %。雖然 JR500 系已經退役,這項安靜且環保的技術現仍應用在新幹線回聲號 Kodama 上。

「這份經驗讓我體會到,人類打算戰勝自然的想法是錯誤的,我們應該要向自然學習。」仲津英治說。

飛機

圖 劉倩帆

下次搭飛機坐到靠窗的位置時,不妨好好觀察飛機兩側的機翼末梢,因為在現存的大部分大型飛機上,都可以看到航太工程師理查德‧惠特科姆(Richard Whitcomb)的劃時代發明。

1970 年代,一篇關於鳥類的文章促使惠特科姆研發出「翼尖小翼」(Winglets)——在飛機機翼的末端,一小片「翹起來」的梯形小翅膀。這一片小翅膀有什麼厲害的呢?首先,飛機如果要正常飛行,機翼下面的壓力要大於機翼上面,才能讓飛機產生「升力」,但同時,這個壓力差也會使空氣從翼尖下方往翼尖上方移動,此時飛機像被無形繩索拖住,導致飛行速度減慢。惠特科姆就分析鳥在飛行時翼尖出現的氣流,隨後在飛機的機翼末梢處設計一個上翹的小翅膀,這能夠有效減少翼尖的阻力,並在一定程度上成為推力,從而延長飛機的飛行時間,並省下 4 % 到 6 % 的燃油消耗。

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