仿生學（Bionics）中

Posted on 2013/10/24 in 生命科學, 生命科學與生活科技 with 沒有迴響 8,252 views

仿生學（Bionics）中
臺中市雙十國中自然領域王淑卿教師

仿生學應用模擬、類比和模型的方法來理解生物系統的生理功能與原理，不必複製每個細節，而是以滿足人類需求的特定功能為主。

其研發製造過程主要有三個面向：生物模型、理論模型和實物模型。將研究的生物資料簡化後模仿人類需求的部分製作成生物模型作為原始模型，經由各種分析，例如數學分析後抽象化建立數學的理論模型，理論模型包括各種不同的模型如數學模型、物理化學模型、概念模型和知識模型等。再將理論模型創新轉化成工程技術可進行實驗的實物模型。在模仿自然界生物的仿生科技中，人類追求不斷創新並期望超越原有的生物功能。

仿生學的主要研究範疇有四大類：

$$(1)$$ 力學仿生（mechanical bionics）：研究並模仿生物體骨骼肌肉與關節運動時的生物力學，以及生物各部位在體內的相對運動或在外界環境中運動的外部表現與動力學分析。

知名的力學仿生建築設計除了臺北 101 大樓、北京鳥巢體育館，還有 1964 年落成的日本東京的代代木體育館則是模仿海螺的流暢曲線外觀；1988 年完工的日本東京室內棒球場（Tokyo Dome），又名巨蛋「Big Egg」，仿生設計源自一顆巨大的蛋。2001 年開始動工的世界最大的三座人工群島杜拜棕櫚群島（The Palm Islands），其仿生設計自一片棕櫚葉的啟發。蝶式游泳選手模仿魚類的擺尾遊動方式而下半身擺動。

2008 年北京奧運金牌游泳選手都穿著 Speedo 公司自 2000 年開始研發生產的鯊魚裝（SHARKSKIN），它是仿生鯊魚皮膚魚鱗的Ｖ形條紋以製造減少阻力的泳裝材料。模仿鯊魚皮膚上Ｖ形條紋構造在泳裝的適當位置以特別排列的方式挖一些微小溝槽結構，可減少泳裝和水的摩擦阻力，目的是仿生鯊魚為適應在水中快速游泳而演化出來的最低阻力和最高效率的身體構造。

$$(2)$$ 分子仿生（molecular bionics）：研究並模擬生物體內的大分子作用，包括醣類、蛋白質、脂質、核酸或其類似物等分子的結構與功能的分析。

如生物的半透膜–細胞膜的流動性和選擇通透性，和酵素特有的專一性催化作用等。例如，研究害蟲舞毒蛾（Lymantriadispar）雌成蟲腹部末端分泌的外激素–性費洛蒙（sex pheromone）的化學結構後，人工合成類似的有機化合物，應用濃度百億分之一毫克的人工合成性引誘劑置於捕蟲籠中，利用昆蟲發達的趨化性可集中誘殺舞毒蛾雄蟲。

高分子仿生學從最初的技術應用仿生化學方法製造和天然橡膠性質接近的合成橡膠，或製造和天然蠶絲有相似的光澤的合成纖維尼龍。到後來的模擬生物體內的化學反應過程，如生物大分子蛋白質和核酸的合成、酵素（酶）的催化作用等。

去氧核糖核酸（DNA）是由單體去氧核苷酸（deoxynucleotide）組成的，藉由四種鹼基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）的不同排列順序來貯存遺傳訊息，並以鹼基間的氫鍵配對來進行複製和轉錄。

基因工程（又稱遺傳工程，genetic engineering）研究 DNA 的結構和功能，利用人工合成的類比片斷去改變 DNA 的化學結構，取得人類需求的 DNA 片段，稱為目的基因（target gene），再將目的基因與載體 DNA 在體外進行重組，然後將這段重組 DNA 引入受體細胞，進行複製、轉錄和轉譯，以進行生物遺傳特性的研究與改變。

應用高分子仿生化學方法可製造酵素模擬物（模擬酶，enzyme mimics），主要是在人工合成高分子過程中加入酵素的活性官能基，來類比酵素的構造特徵和催化的功能。

分子仿生學也可結合奈米科技與分子生物學來模仿細胞生命過程中的各個環節，利用分子生物學的原理做為參照的原型模型（prototype model），設計出於奈米尺度空間操作的功能分子器件（functional molecular device），俗稱奈米機器人（nanorobot）又稱分子機器人（molecular robot），可應用於醫療和軍事領域，是21世紀仿生科技的重要新趨勢。

2010 年美國哥倫比亞大學的科學家成功研發出長度僅 $$4$$ 奈米的奈米蜘蛛機器人（robot nano-spiders），是由 DNA 分子構成的分子器件，模擬 DNA 的運作軌道，能自由地在二維物體的表面移動、行走、轉向或停止。

透過程式化編寫，若能控制照著特定的軌道運動，可應用於醫療事業，以幫助辨別並殺死癌細胞，幫助外科手術清理動脈血管粥樣硬化、去除血塊、清潔傷口、幫助凝血、粉碎腎結石甚至人工受精等治療目的。

2011 年美國國防部委任AV公司研發出一種偵察用的微型間諜－奈米蜂鳥機器人（nano-humming bird），內部有許多奈米元件，外觀大小與蜂鳥相似，雙翼展開寬 $$16$$ 公分，重量 $$19$$ 公克，時速可達 $$17$$ 公里。內建微小攝影機，可遙控拍動其翅膀盤旋與飛行進出室內外，被時代週刊（Times）評選為 2011 年全球五十項最佳發明之一。