資訊科技

以大自然為師──仿生材料

更強、更韌、更輕的材料是工程師的夢想,這樣的材料在大自然中比比皆是,現在科學家要做的就是複製這些材料的特性。

撰文/陳柏宇、劉冠麟

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以大自然為師──仿生材料

更強、更韌、更輕的材料是工程師的夢想,這樣的材料在大自然中比比皆是,現在科學家要做的就是複製這些材料的特性。

撰文/陳柏宇、劉冠麟

重點提要
■仿生材料使用工程的方法,以生物材料為靈感,利用現有的資源合成新穎的材料。
■生物材料的特性包括可自行組裝、具備多樣的功能、多層次構造,以及能夠自行修復。
■從生物身上能觀察到多種驚奇的材料,但要以人工方式製造出具有類似結構與耐久特性的材料,仍需要更多的研究與嘗試。

在電影「不可能的任務4」中,阿湯哥飾演的男主角戴著壁虎手套,攀爬世界第一高樓哈利法塔;在電影「蜘蛛人」系列中,主角彼得變身成蜘蛛人,從腕中射出蜘蛛絲,在大廈之間穿梭。這些畫面雖然添加了許多特效,讓人目眩神迷,但原理卻並非毫無根據。

早在公元前200多年,西方哲學家亞里斯多德即記錄他眼中的壁虎:「壁虎即使是以頭部在下的姿態,也能夠繞著一棵樹到處跑來跑去。」隨著科技進步,科學家發現到如此強大的吸附力歸功於壁虎腳上的皮瓣,有著如毛刷般的剛毛(setae),每根剛毛與接觸面之間的凡得瓦力(Van der Waals force)積少成多,得以支撐整隻壁虎的重量。蜘蛛絲直徑只有頭髮的1/10,卻比同粗細的鋼絲更強韌,比尼龍更具有彈性。蜘蛛絲由兩部份組成:隨意排列而不具方向性的基底,以及排列整齊的晶體β摺板。前者貢獻了蜘蛛絲驚人的彈性,而後者則利用胺基酸之間的氫鍵,提供了蜘蛛絲的強度。蜘蛛絲是一種兼具強度與彈性的優良纖維,已被廣為研究與應用。

生物經過長久的演化,發展出許多適應環境的方法。仿生科學家觀察大自然中的生物,設定一個想要達成的目標,並從多樣的生物中挑選研究對象,再以加工生產等方式,製造出比現有資源更強、更韌或更輕的材料。材料科學結合了物理與化學,利用兩方的知識,改良材料的結構、性質,甚至整合不同材料的表現。仿生材料更把範圍拓展至生物,尤其是具有高機械性質的細胞外間質(extracellular matrix),與其說是模仿,倒不如說是向大自然拜師,從中獲得靈感,並運用在科技研發上。

生物材料的特性

仿生材料是以工程的方法,利用現有的資源合成新穎的材料,靈感來源為生物系統。而生物材料則是大自然中生物自行利用自身機能合成的材料,例如骨頭和牙齒。生物材料有幾樣重要的特性,第一項是自組的能力,例如噬菌體在複製時,已合成而分散的外殼蛋白質會自行組裝並包裹DNA,形成完整的噬菌體。第二項特性是具備多樣的功能,例如鳥的羽毛不僅能幫助飛翔,還有偽裝與保護的功用;骨頭構成了完整的骨架、內部可供血球成熟,並能保護內臟。第三項是多層次:螃蟹的甲殼既堅硬又具韌性,從最小單位看起,幾丁質分子組成α幾丁質晶體,多個α幾丁質晶體,加上其他蛋白質,再組合成幾丁質蛋白奈米纖維;而多個幾丁質蛋白奈米纖維進而組成幾丁質蛋白纖維、纖維束,最後依照螺旋排列,一層一層堆疊上去,形成巨觀結構。

生物在演化的過程中,主要是為了適應所生存的環境,而非打造出完美的生物體,因此生物材料的性質並非完美,每一種生物材料都有其缺點,例如生物材料的合成多經過水合作用,性質受含水量影響很大。同時生物材料大多在溫和的環境下進行合成與製造,通常是常溫常壓下,這與人工合成材料的製程十分不同。仿生材料科學家研究這些生物,像是從大自然這本工具書裡浩瀚的項目中,就挑選理想的零件,再以工程的方式,製造出更強、更韌或更輕的材料。

目前有許來自生物的靈感化為應用的例子,魔鬼氈、表面擁有自淨能力的材質(模仿超疏水的蓮花葉)、抗反射的太陽能板(模仿昆蟲的複眼),以及仿鯊魚皮的表面。其中,鯊魚表面有特殊排列的構造,可以減少水的阻力,因此應用來製成需要對流體阻力小的水管或飛機表面;這種結構也能抗沾黏,致使菌落難以在上面生長,已應用在醫療用品上。

然而即便從生物身上觀察到驚奇的構造,仍是難以人工製造出具有類似結構與耐久特性的材料。生物材料有自組的能力,生物會自行合成可用的化合物、長成特殊的結構,這個過程非常精細,彷彿有雙無形卻又萬能的雙手操作。工程的手法很難達到這麼精細的製程,因此從生物材料到仿生材料,這中間充滿許多難題與挑戰,也是仿生科學家極需努力克服的部份。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第143期1月號】



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