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仿生学(Bionics) 中


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仿生学应用模拟、类比和模型的方法来理解生物系统的生理功能与原理,不必複製每个细节,而是以满足人类需求的特定功能为主。

其研发製造过程主要有三个面向:生物模型、理论模型和实物模型。将研究的生物资料简化后模仿人类需求的部分製作成生物模型作为原始模型,经由各种分析,例如数学分析后抽象化建立数学的理论模型,理论模型包括各种不同的模型如数学模型、物理化学模型、概念模型和知识模型等。再将理论模型创新转化成工程技术可进行实验的实物模型。在模仿自然界生物的仿生科技中,人类追求不断创新并期望超越原有的生物功能。

仿生学的主要研究範畴有四大类:

$$(1)$$ 力学仿生(mechanical bionics):研究并模仿生物体骨骼肌肉与关节运动时的生物力学,以及生物各部位在体内的相对运动或在外界环境中运动的外部表现与动力学分析。

知名的力学仿生建筑设计除了台北 101 大楼、北京鸟巢体育馆,还有 1964 年落成的日本东京的代代木体育馆则是模仿海螺的流畅曲线外观;1988 年完工的日本东京室内棒球场(Tokyo Dome),又名巨蛋「Big Egg」,仿生设计源自一颗巨大的蛋。2001 年开始动工的世界最大的三座人工群岛杜拜棕榈群岛(The Palm Islands),其仿生设计自一片棕榈叶的启发。蝶式游泳选手模仿鱼类的摆尾游动方式而下半身摆动。

2008 年北京奥运金牌游泳选手都穿着 Speedo 公司自 2000 年开始研发生产的鲨鱼装(SHARKSKIN),它是仿生鲨鱼皮肤鱼鳞的V形条纹以製造减少阻力的泳装材料。模仿鲨鱼皮肤上V形条纹构造在泳装的适当位置以特别排列的方式挖一些微小沟槽结构,可减少泳装和水的摩擦阻力,目的是仿生鲨鱼为适应在水中快速游泳而演化出来的最低阻力和最高效率的身体构造。

$$(2)$$ 分子仿生(molecular bionics):研究并模拟生物体内的大分子作用,包括醣類、蛋白质、脂质、核酸或其类似物等分子的结构与功能的分析。

如生物的半透膜–细胞膜的流动性和选择通透性,和酵素特有的专一性催化作用等。例如,研究害虫舞毒蛾(Lymantriadispar)雌成虫腹部末端分泌的外激素–性费洛蒙(sex pheromone)的化学结构后,人工合成类似的有机化合物,应用浓度百亿分之一毫克的人工合成性引诱剂置于捕虫笼中,利用昆虫发达的趋化性可集中诱杀舞毒蛾雄虫。

高分子仿生学从最初的技术应用仿生化学方法製造和天然橡胶性质接近的合成橡胶,或製造和天然蚕丝有相似的光泽的合成纤维尼龙。到后来的模拟生物体内的化学反应过程,如生物大分子蛋白质和核酸的合成、酵素(酶)的催化作用等。

去氧核糖核酸(DNA)是由单体去氧核苷酸(deoxynucleotide)组成的,藉由四种硷基腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)的不同排列顺序来贮存遗传讯息,并以硷基间的氢键配对来进行複製和转录。

基因工程(又称遗传工程,genetic engineering)研究 DNA 的结构和功能,利用人工合成的类比片断去改变 DNA 的化学结构,取得人类需求的 DNA 片段,称为目的基因(target gene),再将目的基因与载体 DNA 在体外进行重组,然后将这段重组 DNA 引入受体细胞,进行複製、转录和转译,以进行生物遗传特性的研究与改变。

应用高分子仿生化学方法可製造酵素模拟物(模拟酶,enzyme mimics),主要是在人工合成高分子过程中加入酵素的活性官能基,来类比酵素的构造特徵和催化的功能。

分子仿生学也可结合奈米科技与分子生物学来模仿细胞生命过程中的各个环节,利用分子生物学的原理做为参照的原型模型(prototype model),设计出于奈米尺度空间操作的功能分子器件(functional molecular device),俗称奈米机器人(nanorobot)又称分子机器人(molecular robot),可应用于医疗和军事领域,是21世纪仿生科技的重要新趋势。

2010 年美国哥伦比亚大学的科学家成功研发出长度仅 $$4$$ 奈米的奈米蜘蛛机器人(robot nano-spiders),是由 DNA 分子构成的分子器件,模拟 DNA 的运作轨道,能自由地在二维物体的表面移动、行走、转向或停止。

透过程式化编写,若能控制照着特定的轨道运动,可应用于医疗事业,以帮助辨别并杀死癌细胞,帮助外科手术清理动脉血管粥样硬化、去除血块、清洁伤口、帮助凝血、粉碎肾结石甚至人工受精等治疗目的。

2011 年美国国防部委任AV公司研发出一种侦察用的微型间谍-奈米蜂鸟机器人(nano-humming bird),内部有许多奈米元件,外观大小与蜂鸟相似,双翼展开宽 $$16$$ 公分,重量 $$19$$ 公克,时速可达 $$17$$ 公里。内建微小摄影机,可遥控拍动其翅膀盘旋与飞行进出室内外,被时代週刊(Times)评选为 2011 年全球五十项最佳发明之一。

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图三、2010年美国哥伦比亚大学成功研发出医疗用的DNA分子奈米蜘蛛机器人
(图片来源)

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图四、2011年美国国防部研发出侦察用的微型间谍–奈米蜂鸟机器人
(图片来源)

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