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鯊魚裝與機器魚–淺談仿生減阻與仿生推進

水中生物有許多讓人覺得奧妙的運動方式,人類模仿的野心當然不會僅止於簡單的原理應用而已。除了機器人、機器狗之外,機器魚的發展又如何?
 
 
 
仿生流體工程學

傳統的生物學主流不論是研究生物的組織、結構、形態、類別及生態,或是二十世紀中葉以後的分子生物學,怎樣也輪不到生物力學,特別是其中看似沒有明顯用途的流體力學,除了人工心臟與血管相關的問題外,大概沒人會注意這方面的研究。但是這些年來,一些生物物理學家與流體力學工程師們,已經默默地將生物物理學與流體工程結合在一起,為人類科技的進展提供一條新的路線。在內流場方面,人工心臟及人體血液循環系統的研究成為追求長壽者的希望所在;在外流場方面,各式交通工具必備的推進系統也有諸多模仿生物的發展,以尋求更有效率、節省能源的推進方式。

在實驗室裏,工程師們有時會將「魚類尾鰭重新吸收流場中的動能以增加推進效率」這一類生物運動的原理應用到工程機械上,我們稱這種模仿生物的工程應用為「仿生工程學」。仿生工程在機械、化工等各方面都有發展,在此我們以流體力學方面的例子說明科學家與工程師是如何發展仿生工程的。

對流體力學家或工程師而言,諸如船與飛機等交通工具的阻力與推進是密不可分的問題,運動性能與操控也是如此,這兩者都是他們最關切的問題。因此,當人類想要在流體中有更好的交通工具或機械時,不免會見賢思齊來模仿生物一番,看看動物有何妙招可以減少阻力、提高推進效率、或增加運動操控性能。

雖然「仿生」一詞是近年來的產物,其實這種想法早就存於我們遠祖的腦中。游泳正是最好的例子:蝶式的下半身擺動是學魚類的擺尾;近年來仰式很流行的出發及轉身時的潛泳也是學魚類的擺尾,如果練習得當,此方式既有效率又快速,所以已經被國際泳協明文規範限制以此方式游行的距離。否則,一來大家要比誰憋氣較久,二來仰式可能要變「潛式」了。過去就有選手曾經在國際大賽中,出發後以此擺尾潛泳方式游了近40公尺才冒出水面換氣的例子。一般而言,提升或改良某種事情不外乎開源與節流兩種方法,最好能雙管齊下,提高推進效率也是如此,以下我們分減阻與推進兩方面來看。

仿生減阻

流場控制是減低阻力的方法之一,藉著改變物體表面附近的流場來達到減低摩擦阻力的目的。生物學家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發現這些皮膚並不單純,經過仔細的研究,想出了各種模仿魚類或鯨豚類皮膚的方法。

表面構造減阻法:在適當的位置上挖一些微小的壕溝,這些壕溝會改變貼近物體表面的流場紊性邊界層中原有的結構與速度分布,因而減少摩擦阻力。在鯊魚表皮上發現這些微壕溝有特殊的V形結構,且以特別的方式排列,這些壕溝的形狀與尺寸大小是否有不同的影響,是近年研究的重點。游泳選手的新泳裝從頭包到腳,稱為鯊魚裝,可以減少阻力,就是這原理的應用。另外,這兩年才在蓮葉上發現的奈米級微小突起結構,改變了水滴的附著能力,它就是導致蓮「出淤泥而不染」的原因;這種微小突起結構,也是未來應用奈米科技於交通工具減阻上熱門的研究課題之一。

一九六○年代,科學家發現海豚的皮膚不只光滑而且有特殊的彈性。於是他們分析海豚的皮膚構造,發現除了表皮外,下面有兩層柔軟的脂肪層,而這樣的組合稱為柔順性表面,可使皮膚隨著水流略微改變外形。據此,許多科學家模仿這種結構進行減阻實驗,但是並非十分成功。不成功的原因究竟是在於未能適當地模仿,或是這樣的柔順性表面根本與減阻無關,至今仍有爭議、尚無定論。

主動壁減阻法:這種減阻方法主要是藉著物體表面的活動來改變紊性邊界層中原有的結構與速度分布,但是這牽涉到如何藉著微偵測器感應紊性邊界層中的流場速度變化,再加以適當地讓物體表面配合活動。此類技術的困難度相當高,現有的研究報告並不多,但隨著微機電系統開發的日漸成熟,或許將來大有可為。

表面材質或分泌物減阻法:科學家在研究魚類及鯨豚類的皮膚時還發現,牠們的皮膚會分泌特殊的分泌物覆蓋在表皮上。因而,科學家又想到另一類改變摩擦阻力的方法,這種改變表面材質的減阻方法有下列數種:

塗裝減阻法是藉著在物體表面塗裝不同的漆料,以不同的化學性質改變物體表面與流體的摩擦係數,而減低摩擦阻力。這種表面加工技術對人類而言是最簡便的,只要找對塗裝漆料就似乎大功告成。然而,如何發現適當的塗料,什麼塗料適合何種運動,以及在應用上須克服的腐蝕與剝落等問題,都亟待進一步研究。

微噴減阻法是將微小物質由物體表面噴入周圍的流場中。依噴入流場中物質的差異,微噴法也分為兩種:同質流體與非同質物。這些方法如果運用得當,可以有效減低50%以上的阻力,但是若應用不當,反而有增加阻力的反效果。

噴入邊界層中的可以是流場中相同的流體(如用於飛機的空氣或船的水)。美國航太總署與空軍曾以 F-16戰鬥機為原型,聯合開發一種三角翼的實驗機F-16XL,並在其機翼上裝上感應及微噴—微吸系統,來研究藉著改變邊界層中原有的速度分布,以控制邊界層的剝離,減低黏性壓差阻力的可行性。

與表面構造類的技術一樣,微泡注入法也是想藉著改變紊性邊界層中原有的結構與速度分布,來減低阻力。其原理是利用氣體與邊界層中液體不同的密度與速度,來改變流場結構與速度分布。目前已發現微泡須注入紊性邊界層中靠近中間區的緩衝層才有明顯效果,日本學者也已在實驗室中成功地應用於平底船的船底上。

加入的物質也可以是微小的高分子聚合物,或是以高分子聚合物結合微泡注入法形成一種混合物注入邊界層中,以模仿魚類皮膚特殊的分泌物,藉著改變流體分子間的摩擦力,使流體(一般而言是水)的黏滯性局部改變,從而改變摩擦阻力。但是這種方法需要另外準備高分子聚合材料,無法就地取材。

目前國內與造船工程相關的幾個校系正進行這一方面的整合型研究計畫,以船型及表面材質或分泌物的減阻方式為研究重點。

在此值得一提的是,高分子聚合物的加入會改變流體的黏滯性與表面張力,使其應用範圍擴大,目前有許多基礎研究環繞在高分子聚合物對流體各種行為的改變上。法國的科學家最近發現,在液體中加入少量特別的高分子可以改變流體的黏滯性,使水從牛頓流體(即流體的剪應變與剪應力成線性正比)變成非牛頓流體,而使一滴液體落在固體表面時減少、甚至不會四濺,這項成果或可用於與噴嘴有關的應用中。另外有一種減阻技術是在物體尾部噴出流場中的流體,利用此噴流來改變流場中的流線,從而減少黏性壓差阻力。此方法已被德國人成功應用於汽車上。

仿生推進 在推進方法上,人類的模仿也是多采多姿,有的是直接模仿生物推進的方法與型態;有的僅僅是應用相同的原理;有的是介於二者之間,應用生物推進的原理來改良人類原有的設計。

擺動翼片:除了前述人類游泳的方式外,擺動的翼片可說是我們最早模仿生物來推進交通工具的例子。我們現在可能無法確定中國人傳統船隻上搖櫓的方式是否得自生物的啟發,還是純粹試誤的結果,但是搖櫓的推進原理與魚類擺尾推進是一樣的。近年日本的研究指出,一般櫓的推進效率與現代設計良好的船用螺槳不相上下,甚至在特別良好的狀況下,其效率可達80%,超過目前一般的螺槳。至於歐美近代的一些發展,則可以確定是來自觀察魚類運動的靈感,這些包括一八四八年英國人佛禮士(Robert Fowles)、一八六二年美國人強生(William H. Johnson)及一九二九年居瑞(Manfred Curry)的嘗試,這些早年的嘗試由於對其原理並非十分了解,顯然不太成功。

機器魚:隨著我們對水中生物研究的增加,以及機電、控制、材料方面技術的進步,模仿魚類的擺尾式運動變得越來越有可能。除了麻省理工學院海洋工程系研究群研發的機器鮪魚與機器梭子魚外,英、美、日等國也有許多大學研究團隊及公司在進行研發,例如三菱公司曾發表幾可亂真的水族館展覽用機器魚,德州農工大學正為美國海軍研發應用特殊記憶合金與彈簧為結構來擺尾的隱形魚形潛艦,而國內也有大學正在發展「仿生型自主式水下載具」。這些都是著眼於水中生物擺尾式前進的高效率與低噪音,但是要學好生物的運動需要先徹底了解其運作的機制,再結合流體力學、材料、控制、機電整合、微機電及奈米科技等領域的成果才能成功地模仿生物,這是困難度相當高的高科技,有待國內有心結合傳統產業與新興科技進行科技整合者的投入與研究。

垂直螺槳與直昇機葉片:傳統垂直螺槳乃由數片葉片附於一轉動圓盤上所構成,葉片的控制方式由複雜的機械連桿組成,而各葉片間的相對俯仰角固定。因此,各葉片動作時未必能達到最高效率。類似的情形出現在航空界對直昇機的研究,他們發現直昇機葉片震動的原因主要是來自前方葉片的紊性跡流中的漩渦,我們又無法避免其發生,也無法控制使後方葉片能避開此紊性跡流。

近年的研究發現當流場中有漩渦接近一翼面時,翼面的升力及阻力均會受到漩渦的影響而改變。因此,除了從入流角方面進行改善以提高效率外,直昇機或垂直螺槳葉片的俯仰角須再做額外的微幅調整,以求能如魚類擺動身體及尾鰭般,適當地切入前面葉片尾跡流所產生的漩渦中,如此方能利用漩渦的動能提高效率,並減少不當切入前面葉片尾跡流所造成葉片震動的噪音。目前對垂直螺槳的研究,在荷蘭、加拿大、英國、義大利與台灣均有發展,在荷蘭還有人大膽提議將葉片改成水平的,因此被稱為「鯨尾推進輪」。

青出於藍?

麻省理工學院研究機器鮪魚的傳塔菲羅(Michael S. Triantafyllou)教授有這樣的感想:「在實驗室裏模擬的機器鮪魚,只是我們探究魚類游泳奧秘的第一步。當我們的機械模型越精緻,我們越會對自然演化出來的魚類生物讚嘆不已。一旦這些億萬年來神秘的演化過程被一步步地了解,或許有朝一日,人為的設計還可能超出魚類的巧妙呢。」然而,當我們向生物看齊時,美國杜克大學長年研究生物流體力學、比較人類科技與生物演化結果的史蒂芬‧佛格教授,於《貓掌與彈弓》一書中也提出一些他的研究心得,指出一些我們在模仿生物時不該忽略的事:

尺度越小,仿生的前途越光明。從人類文明的進化過程來看,人類對於大型構件的創造遠較小型構件為優,然而生物的演化往往是從組成個體的細胞開始演變,最後才產生結構上的變化,這一演化的事實似乎暗示著從材料科技仿生著手,遠比從結構或機械系統的仿生更有前景。

天擇與人類發明間固然有許多相似處,但相似處多半是必然的物理定律或環境條件造成的。相反地,兩者的設計理念與方式往往差距甚遠,相異處其實更多。

自然有時確實能提供一些典範給我們,但是自然原則卻不必然是人類效法的指標;我們不要誤認所有的問題只要回歸自然、崇尚自然的方法或法則後就能迎刃而解。

自達爾文以降,生物學家了解到來源不同也可能產生相似的結果。這種趨同原理暗示了環境限制及誘導的作用,同時指出了何者容易發生與何者較為重要。在我們比較人類科技與演化結果時,也當注意這原理的暗示。

或許當我們能夠洞察其他生物的各種運作原理,並且十分了解我們所需要解決問題的本質與各種限制時,才是我們可以開始判斷在科技上是否能成功地模仿生物的時機。也只有當生物學與物理學發展到某一程度,二門科學能相互融通,使得我們對大自然有了更深入的了解時,我們才會慢慢體會到這宇宙既簡單又複雜的本質,也才會逐漸領悟到「崇法自然」也不盡然是對的。
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