以海洋生物為師

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以海洋生物為師

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許育彰｜臺灣海洋大學教育研究所

海洋是生命的搖籃，在廣闊無垠的大海中，孕育了無數的生物。其中，更有許多海洋生物在人類出現之前，就已生活在遠古的海洋裡，牠們歷經億萬年的精雕和細琢，早已錘煉出足以適應海洋生活的奇妙技能和生存本領。然而，最讓人們感到好奇和疑惑的是：這些形形色色的海洋生物究竟有著什麼樣的奇特本領？牠們的種種奇特本領給人類帶來哪些啟發？從模仿這些本領，又可以創造出什麼樣的機具和物品？從下面的範例中，或許可以得到部分的答案。

藍鯨與鯨形船

藍鯨是世界上現存最大的動物，身長約30公尺，體重達100公噸以上，相當於30隻非洲大象。藍鯨正常游動的速度是每小時5～7公里，這樣的速度並不算快，效率卻十分驚人。因為上百公噸重的藍鯨，按照牠的游動速度需要330瓩的動力，但實際上藍鯨只用了44瓩。

不僅如此，藍鯨還有其他的本領，諸如：能從靜止狀態立即達到全速游動，又能在全速游動中瞬間「剎車」停住；既能迅速下潛，也能快速上浮。藍鯨的這些本領，全歸功於牠擁有一個碩大的頭部和急速收縮的尾部，因此整個身體就像一顆拉長的「水滴」。這種體形大大降低了水的阻力，使藍鯨能在大海中從容游動。

現代的船艦設計師從藍鯨的體形得到啟發，設計了多種近似水滴的「鯨形船」（指在水面以下部分像鯨），因而大幅提升了客輪、貨輪、潛艇等大型船艦的航行速度。根據研究，水滴形的現代化潛艇受到水的阻力比雪茄形的傳統潛艇少，幅度大約是20～30％。此外，有的超級油輪也因模仿藍鯨的體形而加快了航行的速度。

海豚與人造海豚皮

海豚是游泳健將，時速可達40～48公里，輕而易舉地超過現代潛艇的航行速度。研究發現，海豚游得快的主要原因不僅在於牠的流線形體形，更重要的是當海豚快速游動時，牠的皮膚會產生「自適應表面」（compliant wall），而降低湍流或紊流的發生。

科學家在進一步的解剖中發現，海豚的皮膚共分成3層。最外層的表皮上有薄而光滑的角質膜；中間層是真皮，像海綿一樣，長有許多凸起，中空的凸起間充滿著液體；最裡層則由交錯的膠質和彈性纖維組成，中間充滿了脂肪細胞。海豚這種特殊的皮膚結構，能大量吸收和消除阻礙前進的紊流，使水流從它的皮膚表面順利通過，因而能游得很快。

科學家模仿海豚的皮膚，用富有彈性的有機材料製成一種多層的柔性表皮—人造海豚皮。當船艦或潛艇在外殼上包敷一層人造海豚皮之後，航行時受到的紊流阻力可以減少一半，航行速度因而可以提高一倍。

水母與風暴預測儀

水母是一種古老的腔腸動物，早在5億年前就已漂浮在海洋裡了。水母具有預測風暴的本領，在風暴來襲之前，便能提前截獲遠處傳來的次聲波（頻率約為每秒8～13次），而預先逃到安全的地方避開風暴。

這種由風暴和波浪摩擦所產生的次聲波，一般人的耳朵無法聽到，水母對它卻非常敏感。原來，在水母耳朵的共振腔內長著一個小球，球內有塊小小的聽石，當風暴抵達之前所產生的次聲波衝擊到聽石時，聽石就會刺激球壁上的神經感受器，於是水母就會預先聽到正在來襲的風暴聲。

科學家仿照水母耳朵的結構和功能，設計了「水母耳風暴預測儀」，並把這種儀器安裝在船艦上。一旦風暴預測儀接收到次聲波時，瞬間就可令360°旋轉的喇叭停止轉動，這時，靜止喇叭所指方向就是風暴前進的方向，而預測儀上的讀數就是風暴的強度。水母耳風暴預測儀能提前15小時對風暴做出預報，這對航海和漁業的安全都有重要意義。

鱟與側抑制作用

鱟（ㄏㄡˋ，horseshoe crab）是一種老資格的節肢動物，早在4億年前，當地球還未出現魚類和恐龍時，牠就已經生活在海洋中了。鱟在漫長的演化歷程中，樣子似乎沒有任何改變，因而有「活化石」的稱號。

鱟有4隻眼睛，其中位在頭部兩側的複眼（內含近1,000隻小眼）對其視覺較具影響力。科學家在進一步的研究中發現，鱟的複眼受光束照射之後，相鄰的小眼彼此會抑制對方的受光量（指小於單獨一隻小眼的受光量），這就是所謂的「側抑制作用」。這種側抑制作用會促使鱟略去景物的細節部分而突出其邊框，因而能大大增加景物的清晰度，讓鱟更能看清楚外界的景物。

科學家仿效鱟複眼的側抑制作用，研製出「鱟眼電子模型」，並利用它來處理模糊的X光照片、航空攝影照片、水下攝影照片等，使照片上能有更清晰的影像。此外，科學家也曾利用這種電子模型，大幅提升了電視機的畫質和雷達系統的靈敏度。

電鰩與伏特電池

電鰩是棲居在海底的一種「電魚」（能產生電的魚），牠的頭部和胸部連在一起，尾部呈粗棒狀，外形很像一把團扇，最大個體可以達到2公尺左右。

電鰩在頭胸部的腹面兩側各有一個腎臟形的發電器官，裡面布滿蜂巢狀的六角柱體—電板柱。成熟的電鰩身上約有2,000個電板柱，每個電板柱有1,000塊「電板」，且每個電板的表面分布有神經末梢，一面是負電極，另一面是正電極，兩者之間充滿膠質狀的物質，可以起絕緣作用，從而形成一個「迷你的電池」。

電鰩單個電板（迷你電池）所產生的電壓非常微弱，可是由於數量很多（約200萬個），串聯起來就能發出很強的電壓。電鰩這種非凡的放電本領，曾經引起19世紀義大利物理學家伏特（Alessandro Volta, 1745-1827）極大的興趣。他以電鰩的發電器官為模型，設計出世界上最早的電池—伏特堆。由於這種電池就是根據電鰩的天然發電器官設計的，因此伏特最初就把它取名為「人造發電器官」。如今，伏特所發明的人造發電器官已普遍應用在一般電器用品上，成了現代生活不可或缺的用品。

箱魨與箱魨車

箱魨（boxfish）分布於印度洋、太平洋西部的熱帶珊瑚礁海域，體長約10～15公分，全身金黃色，體表密布黑色圓點。牠的眼睛位於頭部頂端，背鰭後移到尾柄並與臀鰭上下對稱，全身被一個堅硬的骨板外殼包裹，只有嘴部和尾柄露出殼外，模樣非常可愛。

科學家發現箱魨的六角形流線骨架，由於質輕、堅固且彈性大，因而讓原本看似笨重的「盒子身體」能以極低耗能的超高效率，輕盈而快速地在水中游動。

近年來，歐洲有兩家著名的汽車製造商認為，箱魨的奇特體形和特殊結構是車體輕造科技模仿的最佳典範，因而合作研發出嶄新款式的概念車—箱魨車。根據他們的研究推算，未來箱魨車的燃油經濟性會比普通汽車高出30％左右，是一部前景極度看好的環保車種。

海洋，廣闊、深邃、富饒、美麗。豐富多樣的海洋生物不僅為人類帶來充足的食物（例如魚、蝦、貝、蟹等），還是人類的良師益友，可以提供許多學習和借鑒的地方。在這啟迪下，科學家正帶著定向、導航、資訊處理、能量轉換、結構力學、流體力學等諸多科學難題，到海洋中去尋找啟示和答案。以海洋豐富且多元的生物物種，應該足以滿足科學家的探索和需求。

深度閱讀

于永源、吳凱（1982）奇妙的生物設計師—海洋仿生學趣談，海洋出版社，北京。
蔣寶瑚、畢東海（1997）新科學十萬個為什麼，生物．仿生卷，浙江科學技術出版社，浙江。
馬廷．策爾西（2009）什麼是什麼：神奇的仿生學（徐小清譯），湖北教育出版社，湖北。

資料來源

《科學發展》2011年12月，468期，40 ~ 45頁

海豚(7) 鱟(2) 電鰩(1) 箱魨(2) 聲波(26) 雷達(23) 科發月刊(5221)

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