法天地之造化–仿生科技
94/12/08
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房 瓚｜
臺灣大學化學工程學系
房瓚｜
臺灣大學化學工程學系
蘇嘉弘｜
臺灣大學化學工程學系
蔡偉博｜
臺灣大學化學工程學系
二十世紀科技的發展突飛猛進，人類征服自然的宏願似乎指日可待，然而在尖端技術不斷推陳出新，對各種現象日趨明瞭之際，驀然驚覺原來這些技術在自然界早已運用有年了。讓人類不得不承認自己的渺小，回過頭來還是必須效法自然，並且從自然中學習、模仿或是取得啟示，進而用於人類科技文明的發展，這就是「仿生學」（biomimetics／bionics）的概念。
雖然人類自古以來就不斷模仿自然，但「仿生學」這個名詞始於1960年，它橫跨了生物、物理、化學、數學等基本學門，並且與航太、通訊、材料等應用科學相互交織成新的研究領域。近年來，有越來越多的科學家投入仿生學研究的行列，更結合了新興的奈米科技、智慧工程、以及組織工程等3大熱門主流，為人類21世紀的科技發展開拓了一條嶄新的道路。
模仿自然提供了許多優勢，因為自然界的各項功能存在既久，並且方便有效，是歷經演化所保留下來的最佳方式。人類模仿大自然的巧門，創造出能夠應用於人類生活的發明，即使是微不足道的小發明，對於人類生活的影響卻可能非常深遠。
例如我們日常生活常用的「魔鬼沾」，是瑞士的一位工程師喬治．邁斯楚由野外會沾上衣服的芒刺所想到的點子。他在顯微鏡下觀察沾在他衣服上的芒刺，發現芒刺像一排鉤子互相連結在一起，能夠緊緊地鉤住接觸到的衣料或動物的皮毛。根據芒刺的構造，歷經8年不斷地研究和修改，他設計出一種實用的按扣，就是我們目前在日常生活中隨處可見的魔鬼沾。今日無論是衣服、鞋子、表帶、背包、甚至汽車、飛機、降落傘、太空裝或太空梭，都可以看到魔鬼沾的應用。
然而有時候完全模仿大自然也不見得能夠生效，例如人類試圖複製鳥類的翅膀來飛翔，可是沒有成功，反倒是藉由大自然的啟發，創造出許多偉大的發明。藉由鳥類飛行的啟發，配合氣體動力學的原理發明了飛機，終究還是讓人類飛上天空。
本文介紹利用人類感官的仿生科技，藉由模仿感官的機制，使人類恢復失去的感官功能，或是應用在日常生活、醫療行為，甚至太空科技上。例如模仿聽覺的機制，為失聰者開啟一扇希望的窗，走出無聲的世界；模仿嗅覺的機制，用於疾病檢測或工業污染防制；模仿肌肉的機制，則可應用於太空科技。
人工內耳
聽覺對於人類似乎不是必要的，喪失聽覺的人依然可以生活，但是會造成許多不便，尤其是在與他人的溝通方面。聽力可能因為天生殘疾或後天的疾病而受損，輕微的聽力障礙，可以藉由助聽器輔助或進行聽力復健而達到改善的目的。由於助聽器的功能在於收集聲波，並放大送到耳朵裡面，最後還是要透過聽神經把訊號傳遞到大腦，對於內耳神經受損嚴重的患者，助聽器就無能為力了。這時必須藉由外科手術，植入人工內耳才能改善聽力。
人類耳朵的聽覺機制，大致上是透過外耳廓收集聲波，通過聽道震動鼓膜，推動聽小骨（包括槌骨、砧骨及鐙骨）把聲波放大，傳到耳蝸上的卵圓窗，引起耳蝸內淋巴液的流動，帶動耳蝸內纖毛的擺動，使得與纖毛相連的神經細胞產生微小的電位變化。神經細胞再把訊號傳進大腦聽覺專區，經過解讀後便產生了聽覺。
人工內耳是藉由模仿人類的聽覺機制，使失聰者可以恢復聽覺，以取代原本喪失功能的耳朵。這項技術的起源，可以追溯到1790年，科學家在實驗中無意間發現，置於耳朵附近的通電電極會使人聽見雜音。不過這方面的研究一直要到20世紀中葉才有重大的發展，進而實際應用於醫學領域。
人工內耳系統包括外部的麥克風、聲音處理器和發送器，以及內部的接收器和電極。先由體外的麥克風收集外界的聲音，並轉為電子訊號，傳送到聲音處理器加以放大或過濾，再藉由體外的發送器，將訊號傳送到植入皮下的接收器。
新一代的人工內耳是以無線電波的方式傳送信號，代替過去利用電線穿過皮膚的方式，降低了細菌感染的可能性。接收器再把聲音訊號傳送到植入失聰者耳內的白金電極，進一步把電子訊號轉成微小的電位來刺激聽神經，使大腦產生聽覺。由於白金的低活性，置於耳內不易和組織起反應而變質，安全性相當高，但價格偏高是其缺點。
在我們的耳朵內，聽小骨把震波傳進耳蝸之後，由於耳蝸本身形狀、大小的變化，加上受到內部淋巴液質量和密度的影響，聲音在傳入耳蝸內部的途中，頻率會由高至低被過濾出來，並且不同位置的纖毛也會對特定頻率的震波產生不同的擺幅。所以內耳對於不同的頻率高低和震動大小，對應出不同強度的神經訊號，使我們可以分辨周遭不同的聲音。人工內耳也必須具有類似的功能，才可以使佩戴者辨識不同頻率的聲音。
西元1970年，麥克森和愛丁頓等人發展出以多電極直接刺激耳蝸內聽神經的人工內耳系統，把各種不同頻率的接收電極放在耳蝸的不同區域，雖然能夠大幅提升對聲音的辨識率，但是距離正常聽覺仍有很大一段差距。近十幾年來，人工內耳技術比起早年有了大幅的進步，目前最新的人工內耳已植入多達24個電極來刺激聽神經，可以使部分失聰者不用藉由判讀唇語便可與人溝通，甚至可以像常人一樣講電話。
不過根據國外實驗結果顯示，對於大多數失聰者而言，即使佩戴目前最新型的人工內耳，所能恢復的聽覺仍然有限，不及正常人的一半，對於日常生活中的背景聲音，分辨率仍然非常低。因此人工內耳在聲音辨識率的發展上，仍有許多亟待突破的瓶頸。
此外，人工內耳的無線電傳收系統，訊號在傳遞時常常受到外界干擾而產生雜訊，使得聲音聽起來失真。在製造材料方面，由於體外的部分必須長時間佩戴，選用的材料必須能抵抗汗水的侵蝕，而體內的部分因為置於組織中，所以必須選用可抵抗組織液侵蝕的材料。
目前電子內耳的研究方向，在於設計出更好的聲音處理程式、降低刺激電極之間彼此干擾產生雜訊的機會、改進電池耐用度、元件材料的選用、以及體積微小化。藉由神經生理學、電子學、電池設計、以及材料科學等學科的整合研究，未來一定可以研發出使人能夠完全恢復聽力的人工內耳系統。
電子鼻
嗅覺對人類的必要性似乎不及聽覺，但是人類之所以能夠享受美食，90％是靠嗅覺之賜，如果沒有了嗅覺，就會食而無味。哺乳動物的嗅覺機制主要可以分成3部分：接受、傳導及顯示。不同氣味的分子，經由呼吸進入鼻腔，與鼻腔中嗅覺細胞纖毛上的嗅覺受體蛋白發生作用，形成各種不同的特殊鍵結，造成不同的神經脈衝訊號。再藉由嗅覺神經發出動作電位，傳輸到大腦的嗅覺專區，透過大腦的判讀，利用從前的學習經驗來判別氣味的種類。
電子鼻，顧名思義是利用電子儀器來模擬哺乳類動物的嗅覺機制。電子鼻的技術是利用電腦模擬嗅覺受體蛋白與氣體分子之間的作用，進一步以人工方式合成受體蛋白，並把人工受體蛋白製成「接受膜」，取代人類嗅覺細胞，用來連結傳導介質。
傳導介質則是以壓電石英晶體所製成的模組晶片，採用矩陣式排列，氣體經由接受膜吸收後，增加的質量導致諧振頻率的改變，透過諧振頻率測量出氣體物質的質量與濃度。並透過統計分析或人工神經網路處理，與預先建立的資料庫比對出氣體的種類，最後透過電子螢幕以圖像及數據顯示氣體的來源。由於要檢測的氣體分子往往非常微量，濃度通常在十億分之一的層級，所以接受膜的感測敏銳程度及專一性是這項技術的關鍵。
這方面的技術，初期是用於香水、葡萄酒和食品工業等方面，用來做為食品保存監控及風味鑑定的工作，或是應用於環境中有害氣體的監測，例如汽機車廢氣、工業廢氣等，還有軍事上對於毒性氣體的監測等。
近年來，電子鼻的技術也應用到疾病診斷上。大家或許都有經驗，在某些特殊病人的身上，可以聞到某些獨特的味道，因此可從特定疾病患者的呼氣檢體進行疾病檢測。中醫廣泛運用的望、聞、問、切、觸等的診斷技術，其中也包括了「聞」。利用電子鼻來做診斷工作，只是把原本是人的鼻子，變成了電子儀器。
傳統的呼氣檢測方式是根據標準的呼氣採樣程序採集檢體後，再用氣相層析儀配合質譜儀判定化合物種類。這方法不僅儀器昂貴、耗費時間，且其分析的過程必須把大約3公升的呼氣樣品濃縮後，才可達到儀器能偵測的最低極限值。電子鼻技術所需的分析成本不但降低很多，而且呼氣樣品也只要10毫升左右，不但操作簡單、反應快速，而且僅數分鐘就可完成檢測。
目前國內也開發出若干電子鼻的技術應用於疾病檢測。例如尿毒症患者呼出的氣體中，含有微量的三甲基胺、二甲基胺等氣體，可以利用特殊的嗅覺受體蛋白進行感測。目前尿毒症診斷模組的技術已進入臨床實驗測試，可以區別正常人與血液透析患者、腹膜透析患者、慢性腎功能不全、慢性腎功能衰竭等不同嚴重程度的腎臟疾病患者的呼氣檢體，準確程度可達八成五。
此外，肝硬化患者本身會呼出微量的二甲基硫氣體，也可以利用相同的技術進行模組的研發，準確程度可高達九成三。未來電子鼻的技術可以擴展到更多的疾病，如肺膿瘍、糖尿病、精神分裂症、腸胃道疾病、肺癌等，可以提供快速的檢驗方法。
人工肌肉
我們之所以能夠行動、舉起重物，靠的是肌肉與骨骼的協調運動。肌肉的最小單元是肌纖維，肌纖維由肌動蛋白和肌凝蛋白兩種蛋白質交錯排列而成。當肌肉收縮時，肌凝蛋白不動，而肌動蛋白往中間滑動，使得整體長度縮短；反之，當肌肉伸展時，肌動蛋白則往外側滑動。
十多年前，美國太空總署為了在外太空工作，計劃開發新型的機器手臂，來完成傳統油壓機器手臂無法做的精密動作。藉由模仿人類手臂肌肉的動作，開發出多種材料，可以藉由電流的通過產生收縮現象，這類的材料稱為電致動聚合物。
電致動聚合物的動作原理和肌肉收縮原理有些不同，隨著電位大小的變化，會產生不同程度的形狀改變。通電時，電致動聚合物內部分子受到電位的影響，使分子排列從原本的結構變成偏往某一端聚集，整個外觀看起來，就像是整條電致動聚合物如同肌纖維一樣彎曲、縮短或伸長。當電位的方向改變時，又會使電致動聚合物向另一個方向彎曲。電致動聚合物的這種特性，為其贏得了「人工肌肉」的稱號。電致動聚合物主要可以分成電子型及離子型兩大類，工作原理都是利用導電使形狀改變，不過電子型是直接通電刺激，離子型則是透過溶液中帶電離子的移動來傳遞電荷。
人工肌肉可以應用於機器手臂，由於聚合物的重量比金屬輕了許多，應用於外太空可以大幅減少載重。目前國外已經成功利用電致動聚合物製造出機器手臂和機器臉，機器手臂已可做出如伸出某支手指這種精密的動作，未來可以開發出手術用的機械手臂，機器臉也有能力做出像是眨眼或動嘴唇的表情。
值得一提的是，西元1999年美國人巴科恩對全世界的工程師提出一個挑戰，徵求利用人工肌肉設計出一個人工手臂，用來和人類進行腕力大賽。第一次的比賽於2005年3月7日在美國聖地牙哥舉行，一個17歲的年輕學生擊敗了參賽的3個人工手臂，最好的人工手臂僅撐了23秒，儘管如此，電致動聚合物的發展潛力仍然深受矚目。
電致動材料的發展與應用目前尚處於初期的階段，現有的電致動聚合物仍有許多缺點等待克服，如降低驅動電壓、增進機械強度、加大變形程度、以及加快反應速度等。除了上述機械手臂和機械臉的應用外，電致動聚合物也被製成機器昆蟲或可以在水中游泳的機器魚。電致動聚合物也可以用在醫療方面，例如量血壓用的壓脈帶，甚至用來替換受損傷的肌肉組織。當病患的肌肉壞死無法動作時，醫療人員便可利用電致動聚合物植入患處，配合適當的電刺激，使殘障者可以重新活動，不需要再倚賴輪椅和柺杖了。
藉由仿效自然法則，模擬感官接收、傳遞、運作的方法與機制，可以為人類帶來許多福祉。未來仿生科技結合奈米材料及生物技術，可以製造人工視網膜、人工味蕾、人工神經傳導系統等更複雜的人工感官系統，必會對人類的生活提供更多的助益。
