以自然為師-近自然工法結合仿生學

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電子報

工程技術發展

農村發展及水土保持署

以自然為師-近自然工法結合仿生學

期數 / 第106期

發布日期 / 2024.05.02

主筆 / 陳俊廷

責任編輯 / 陳國威、林駿恩

仿生學(Biomimicry)是近年來逐漸受到重視的跨學科新思維，依據維基百科對仿生學的定義，其是為了解決複雜的人類問題而模擬自然的模型、系統和元素，而美國生物學家Janine Benyus於1997年出版的書中以三個定義來解釋仿生學，其分別為「以自然為學習模範(Nature as model)」、「以自然為衡量標準(Nature as measure)」及「以自然為導師(Nature as mentor)」。仿生設計(Bionics design)則是根據前述定義所產生之系統性思考並以仿生作為設計原則，各類生物藉由漫長的進化歷程，演化出獨特的「生命運作準則」，各種生命運作準則拼湊為自然界的設計藍圖，透過理解生物結構與功能，尋找跨物種間普遍存在的模式作為靈感來源，將自然作為學習的對象，經過研究自然環境抽象形態、特殊能力和再模擬所製造出的產品。

本期電子報將介紹國內外如何運用仿生學及仿生設計的概念，將生物特徵與萬物運行的力量融入設計中，以達到更加優異的成果。這不僅有助於創造更具革命性的產品與技術，同時也向淨零碳排的目標邁進，藉由師法自然的智慧，建立永續的未來。

生態混凝土 (ECOncrete®)

面臨氣候變遷導致更極端的氣候及海平面上升，為維護海岸線不受海洋環境擴張而退縮，且邁向淨零減碳的目標，以色列的ECOncrete公司研發出生態混凝土，用以保護海岸線生態環境並吸引海洋生物附著生長，相較於傳統混凝土功效，生態混凝土的特殊結構不僅提高生物多樣性和碳儲存量，更提升抗壓強度和耐用性。

依據CORDIS (2020)研究指出，全球70%的沿海基礎設施由混凝土製成，然傳統的混凝土對海洋或水域環境之生物繁衍不利，且占全球二氧化碳排放的8%，其對達成淨零減碳目標貢獻有限。反觀ECOncrete®公司所研發之生態混凝土已獲得歐盟專案支持，其以科學為基礎 (Science-based) 的創新技術促進海洋生物及其自然過程發展，提供更綠色的海洋設施 (Greener marine infrastructure) 以調適氣候變遷，為海洋生態系和高性能混凝土應用提供雙贏解決方案。

圖1 受自然棲地啟發的生態混凝土(圖片來源：仿生科技產業化資料庫)

生態混凝土的概念應用相當廣泛，除了營造港口（圖2）及堤防等設施外，亦可應用於河口的潮間帶（圖3）、沿海的鳥類棲息營造（圖4）及海底電纜的保護（圖5）等，這些案例向人們展示在考量生態環境為前提下，對於基礎建設快速拓展的同時，如何運用生活周遭能觀察到的自然現象或生物構造特性，實際運用於工程上，達到尊重及保護自然環境，提供生物繁衍及棲息的場所，以減緩氣候變遷的目標。

圖2 生態混凝土導入摩納哥港口（圖片來源：ECOncrete，2019）

圖3 紐約曼哈頓哈德遜公園河口保護區（圖片來源：ECOncrete，2023）

圖4 紐約威靈頓沿海鳥類棲息地營造（圖片來源：ECOncrete，2023）

圖5 西班牙海底電纜保護（圖片來源：ECOncrete，2023）

各領域仿生案例

目前國內外皆有不少仿生學實際應用的案例，在建築、水資源、機械、航空、國防、美容及醫學等領域，都有相關多元的應用成果。本文介紹位於英國倫敦的30 St Mary Axe 大樓 (圖6)，其設計參考了一種海洋生物「六放玻璃海綿 (阿氏偕老同穴Euplectella aspergillum)」的生物結構功能，讓大樓有更好的空氣流通性及採光效益，大大的降低能源使用；另一個例子是位於撒哈拉沙漠上的森林計畫(圖7，Nkandu, Mwila & Alibaba, Halil, 2018)，參考了「霧曬甲蟲 Namibian fog-basking beetle (Onymacris unguularis)」的生物特性，以對抗乾旱氣候，使在缺水的沙漠中，透過模仿其由翅膀收集水滴之特殊生物結構，建置水霧蒐集系統，能更有效率地蒐集及儲存沙漠中水資源。

圖6 英國倫敦的30 St Mary Axe參考海綿結構，保有通風及透頂採光（圖片來源：Mwila Isabel Nkandu，2018）

圖7 撒哈拉沙漠上的森林計畫參考霧曬甲蟲（圖片來源：Mwila Isabel Nkandu，2018）

仿生設計競賽

在臺灣經由科技部、台灣經濟研究院、水利署及新北市政府等公部門單位的支持下，台灣仿生科技發展協會從2015年開始年年舉辦仿生設計競賽，吸引了許多高中、大學及社會人士共同腦力激盪，秉持「遵循自然、善用科技」的精神，順應國際仿生技術與產業之潮流，追求人類永續繁榮發展，以下將介紹仿生設計競賽創作成品。

1.　蜂巢式水溝蓋（FLOAX 浮洞）
在2021年全球仿生設計競賽之「FLOAX 浮洞」作品，其仿生靈感為蜂巢孔洞型態，藉由使用參數式設計，將蜂巢孔洞以六角切面漸變成形，用於反射路燈或車燈，使水溝蓋即使在夜晚也都非常明顯。經過透水率及浮力計算與打樣測試，不發生堵塞狀況。

圖8 FLOAX 浮洞（圖片來源：仿生科技產業化資料庫，2021）

2.　松果遮陽板
在2022年全球仿生設計競賽之「松果遮陽板」作品，其仿生靈感為松果的開合特性，藉由材料與材料膨脹係數不同特性，其在材質選用上以尼龍及塑膠互相搭配，並運用松果潮濕開合特性去設計，能夠在充滿水份潮濕的天氣彎曲收起，在陽光照射乾燥時可以敞開並且達到遮陽的效用，以此讓整體建築物降溫。

圖9 松果遮陽板（圖片來源：仿生科技產業化資料庫，2022)

3.　行人穿越線（屹立不搖的安全線）
在2023年全球仿生設計競賽之「屹立不搖的安全線」作品，其仿生靈感為昆蟲體壁結構色、藍眼淚受到刺激產生藍光、爬蟲類鱗片逆鱗排列增強摩擦力等，用以減少雨天斑馬線所造成的交通事故，其仿生特性說明如下：
(1)生物發電藍眼淚-受到刺激產生藍光-於斑馬線外圍設置一圈在雨水衝擊或行人、車輛路過時因壓力形變轉換作為開關將太陽能釋放電力來發光。
(2)昆蟲體壁結構色-班馬線內部的色塊，利用結構色的概念，使其在雨天會因車燈照射而產生出明顯且具有警示的效果。
(3)蛇類的鱗片逆向排列-逆鱗的結構設置在斑馬線中央，鱗片原本的排列模式是讓牠們流暢的在地上移動，團隊將鱗片逆向使用且依據來車方向決定逆鱗排列模式，增加摩擦力以減少雨天行車時滑倒的機率。

圖10 屹立不搖的安全線（圖片來源：仿生科技產業化資料庫，2023）

師法自然的生態保護 (Bioprotection)

仿生學在各領域的實際應用上帶來了許多潛力和成果，這些案例展示了透過自然的智慧，我們可以創造出更具創新性、效率性和可持續性的解決方案。目前農村水保署利用仿生學師法自然的想法，持續研究「專利護岸塊體」，以達成友善生態及淨零減碳目標，其仿效了蜂巢結構 (圖11) 及人體的髖關節的組成 (圖12)，並實踐於專利護岸塊體上 (詳閱2024年4月23的seminar，專利護岸塊體適用性研究與運用實證分享)，期望未來各界能持續精進並師法自然創造多元解決方案，用行動做出更多生態友善及近自然的工法，創造可持續利用和淨零減碳的仿生設計，以降低氣候變遷所帶來的衝擊。