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輕、強、韌的仿生材料

大自然透過演化過程去蕪存菁,創造許多神奇又複雜的生物結構,在科技至上的時代中,科學家也需要利用自然生物結構獲得研發突破的靈感,仿生材料師法自然,研究自然界的特殊結構,啟發科學家來創造更輕、更強、更韌的仿生材料。
 
 
陳俊杉 國立臺灣大學土木工程學系教授/國立臺灣大學智慧生活科技整合與創新研究中心副主任
▲陳俊杉 國立臺灣大學土木工程學系教授/國立臺灣大學智慧生活科技整合與創新研究中心副主任
 
大自然透過演化過程去蕪存菁,創造許多神奇又複雜的生物結構,在科技至上的時代中,科學家也需要利用自然生物結構獲得研發突破的靈感,仿生材料師法自然,研究自然界的特殊結構,啟發科學家來創造更輕、更強、更韌的仿生材料。
 
仿生科技以生物構造為模仿對象
 
自然生物構造的強韌超越人類的想像,以蜘蛛絲為例,相同重量的鋼絲和蜘蛛絲,鋼絲能夠承受12.5磅的重量,而蜘蛛絲可以承受到26磅。陳俊杉教授說明,我們的智慧型手機、眼鏡、鞋子等,非常多的應用都需要輕、強、韌特點的材料。自然界中有非常多的生物結構都具有這種特點,除了蜘蛛絲以外、像是鮑魚殼的珍珠層、鹿角、植物天堂鳥的莖、刺蝟的針、大嘴鳥的喙、羽毛的羽軸等,都是現在仿生材料研究的對象。
 
陳俊杉教授與清大教授共同組成仿生材料研究團隊,研究題目為「利用仿生及材料基因數位技術平台,設計具優異機械性能之創新輕量化結構材料」,特點在於以生物材料為對象,建構輕量化結構材料的材料基因,以實驗、計算與人工智慧設計具優異機械性能的輕量結構材料。團隊組成1年,便獲得了科技部2019年未來科技突破獎的肯定,研究成果也將會於2019年未來科技展展出。
 
仿生科技在做什麼呢?
 
陳俊杉教授說明,仿生科技主要的理念就是師法自然,思索自然構造的奧妙,並且達到巧奪天工,嘗試做得比自然界更好,然後與科技做連結,應用到日常生活。現代隨著觀察、製造、解析模擬和人工智慧技術的進步,再加上力學和數位科技等工具輔助,讓仿生科技不斷被啟發和實踐。

仿生研究的第一步是觀察各種生物的結構,使用的技術像是生物材料巨觀形貌建模、生物/仿生材料機械性質量測、雷射共軛焦顯微鏡、多階層結構立體影像分析等,了解生物結構組成的原因之後,下一步就是實驗和製造,透過現在的3D列印技術,可以將想法快速實現,大幅提升研究實作的便利性。
 
電腦建模科技也可以協助模擬複合材料的各種可能性,幫助了解更細微的資訊,協助研究改良與進步。陳俊杉教授說明,一般電腦建模需要花費1個星期的時間來模擬不同的材料組成結果,現在透過人工智慧技術,當模型訓練完之後,大約0.1秒就可以完成快速的預測,並且還可以做到10的10次方的樣本數,就像是快速模擬演化的過程。
 
陳俊杉教授表示,材料是許多工程應用突破的關鍵,向大自然學習可以啟發我們設計下世代更輕、更強、更韌的新材料,隨著觀察、製造、解析模擬和人工智慧等技術的進步,我們可向大自然學習創造更多新價值。

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