鲨鱼装与机器鱼──浅谈仿生减阻与仿生推进

鲨鱼装与机器鱼──浅谈仿生减阻与仿生推进 92/05/12 作者： 陈政宏 成功大学造船及船舶机械工程学系

德瑞普（Draper）公司研发的机器鱼。 仿生流体工程学

传统的生物学主流不论是研究生物的组织、结构、形态、类别及生态，或是二十世纪中叶以后的分子生物学，怎样也轮不到生物力学，特别是其中看似没有明显用途的流体力学，除了人工心脏与血管相关的问题外，大概没人会注意这方面的研究。但是这些年来，一些生物物理学家与流体力学工程师们，已经默默地将生物物理学与流体工程结合在一起，为人类科技的进展提供一条新的路线。在内流场方面，人工心脏及人体血液循环系统的研究成为追求长寿者的希望所在；在外流场方面，各式交通工具必备的推进系统也有诸多模仿生物的发展，以寻求更有效率、节省能源的推进方式。

在实验室里，工程师们有时会将「鱼类尾鳍重新吸收流场中的动能以增加推进效率」这一类生物运动的原理应用到工程机械上，我们称这种模仿生物的工程应用为「仿生工程学」。仿生工程在机械、化工等各方面都有发展，在此我们以流体力学方面的例子说明科学家与工程师是如何发展仿生工程的。

对流体力学家或工程师而言，诸如船与飞机等交通工具的阻力与推进是密不可分的问题，运动性能与操控也是如此，这两者都是他们最关切的问题。因此，当人类想要在流体中有更好的交通工具或机械时，不免会见贤思齐来模仿生物一番，看看动物有何妙招可以减少阻力、提高推进效率、或增加运动操控性能。

虽然「仿生」一词是近年来的产物，其实这种想法早就存于我们远祖的脑中。游泳正是最好的例子：蝶式的下半身摆动是学鱼类的摆尾；近年来仰式很流行的出发及转身时的潜泳也是学鱼类的摆尾，如果练习得当，此方式既有效率又快速，所以已经被国际泳协明文规范限制以此方式游行的距离。否则，一来大家要比谁憋气较久，二来仰式可能要变「潜式」了。过去就有选手曾经在国际大赛中，出发后以此摆尾潜泳方式游了近40公尺才冒出水面换气的例子。一般而言，提升或改良某种事情不外乎开源与节流两种方法，最好能双管齐下，提高推进效率也是如此，以下我们分减阻与推进两方面来看。

仿生减阻 流场控制是减低阻力的方法之一，借着改变物体表面附近的流场来达到减低摩擦阻力的目的。生物学家观察许多鱼类及鲸豚类的皮肤后发现这些皮肤并不单纯，经过仔细的研究，想出了各种模仿鱼类或鲸豚类皮肤的方法。 表面构造减阻法：在适当的位置上挖一些微小的壕沟，这些壕沟会改变贴近物体表面的流场紊性边界层中原有的结构与速度分布，因而减少摩擦阻力。在鲨鱼表皮上发现这些微壕沟有特殊的V形结构，且以特别的方式排列，这些壕沟的形状与尺寸大小是否有不同的影响，是近年研究的重点。游泳选手的新泳装从头包到脚，称为鲨鱼装，可以减少阻力，就是这原理的应用。另外，这两年才在莲叶上发现的奈米级微小突起结构，改变了水滴的附着能力，它就是导致莲「出淤泥而不染」的原因；这种微小突起结构，也是未来应用奈米科技于交通工具减阻上热门的研究课题之一。

一九六○年代，科学家发现海豚的皮肤不只光滑而且有特殊的弹性。于是他们分析海豚的皮肤构造，发现除了表皮外，下面有两层柔软的脂肪层，而这样的组合称为柔顺性表面，可使皮肤随着水流略微改变外形。据此，许多科学家模仿这种结构进行减阻实验，但是并非十分成功。不成功的原因究竟是在于未能适当地模仿，或是这样的柔顺性表面根本与减阻无关，至今仍有争议、尚无定论。

主动壁减阻法：这种减阻方法主要是借着物体表面的活动来改变紊性边界层中原有的结构与速度分布，但是这牵涉到如何借着微侦测器感应紊性边界层中的流场速度变化，再加以适当地让物体表面配合活动。此类技术的困难度相当高，现有的研究报告并不多，但随着微机电系统开发的日渐成熟，或许将来大有可为。

表面材质或分泌物减阻法：科学家在研究鱼类及鲸豚类的皮肤时还发现，牠们的皮肤会分泌特殊的分泌物覆盖在表皮上。因而，科学家又想到另一类改变摩擦阻力的方法，这种改变表面材质的减阻方法有下列数种：

涂装减阻法是借着在物体表面涂装不同的漆料，以不同的化学性质改变物体表面与流体的摩擦系数，而减低摩擦阻力。这种表面加工技术对人类而言是最简便的，只要找对涂装漆料就似乎大功告成。然而，如何发现适当的涂料，什么涂料适合何种运动，以及在应用上须克服的腐蚀与剥落等问题，都亟待进一步研究。

微喷减阻法是将微小物质由物体表面喷入周围的流场中。依喷入流场中物质的差异，微喷法也分为两种：同质流体与非同质物。这些方法如果运用得当，可以有效减低50％以上的阻力，但是若应用不当，反而有增加阻力的反效果。

喷入边界层中的可以是流场中相同的流体（如用于飞机的空气或船的水）。美国航天总署与空军曾以 F-16战斗机为原型，联合开发一种三角翼的实验机F-16XL，并在其机翼上装上感应及微喷—微吸系统，来研究借着改变边界层中原有的速度分布，以控制边界层的剥离，减低黏性压差阻力的可行性。

与表面构造类的技术一样，微泡注入法也是想借着改变紊性边界层中原有的结构与速度分布，来减低阻力。其原理是利用气体与边界层中液体不同的密度与速度，来改变流场结构与速度分布。目前已发现微泡须注入紊性边界层中靠近中间区的缓冲层才有明显效果，日本学者也已在实验室中成功地应用于平底船的船底上。

加入的物质也可以是微小的高分子聚合物，或是以高分子聚合物结合微泡注入法形成一种混合物注入边界层中，以模仿鱼类皮肤特殊的分泌物，借着改变流体分子间的摩擦力，使流体（一般而言是水）的黏滞性局部改变，从而改变摩擦阻力。但是这种方法需要另外准备高分子聚合材料，无法就地取材。 目前国内与造船工程相关的几个校系正进行这一方面的整合型研究计划，以船型及表面材质或分泌物的减阻方式为研究重点。

在此值得一提的是，高分子聚合物的加入会改变流体的黏滞性与表面张力，使其应用范围扩大，目前有许多基础研究环绕在高分子聚合物对流体各种行为的改变上。法国的科学家最近发现，在液体中加入少量特别的高分子可以改变流体的黏滞性，使水从牛顿流体（即流体的剪应变与剪应力成线性正比）变成非牛顿流体，而使一滴液体落在固体表面时减少、甚至不会四溅，这项成果或可用于与喷嘴有关的应用中。另外有一种减阻技术是在物体尾部喷出流场中的流体，利用此喷流来改变流场中的流线，从而减少黏性压差阻力。此方法已被德国人成功应用于汽车上。

仿生推进 在推进方法上，人类的模仿也是多采多姿，有的是直接模仿生物推进的方法与型态；有的仅仅是应用相同的原理；有的是介于二者之间，应用生物推进的原理来改良人类原有的设计。

摆动翼片：除了前述人类游泳的方式外，摆动的翼片可说是我们最早模仿生物来推进交通工具的例子。我们现在可能无法确定中国人传统船只上摇橹的方式是否得自生物的启发，还是纯粹试误的结果，但是摇橹的推进原理与鱼类摆尾推进是一样的。近年日本的研究指出，一般橹的推进效率与现代设计良好的船用螺桨不相上下，甚至在特别良好的状况下，其效率可达80％，超过目前一般的螺桨。至于欧美近代的一些发展，则可以确定是来自观察鱼类运动的灵感，这些包括一八四八年英国人佛礼士（Robert Fowles）、一八六二年美国人琼森（William H. Johnson）及一九二九年居瑞（Manfred Curry）的尝试，这些早年的尝试由于对其原理并非十分了解，显然不太成功。

机器鱼：随着我们对水中生物研究的增加，以及机电、控制、材料方面技术的进步，模仿鱼类的摆尾式运动变得越来越有可能。除了麻省理工学院海洋工程系研究群研发的机器鲔鱼与机器梭子鱼外，英、美、日等国也有许多大学研究团队及公司在进行研发，例如三菱公司曾发表几可乱真的水族馆展览用机器鱼，德州农工大学正为美国海军研发应用特殊记忆合金与弹簧为结构来摆尾的隐形鱼形潜舰，而国内也有大学正在发展「仿生型自主式水下载具」。这些都是着眼于水中生物摆尾式前进的高效率与低噪音，但是要学好生物的运动需要先彻底了解其运作的机制，再结合流体力学、材料、控制、机电整合、微机电及奈米科技等领域的成果才能成功地模仿生物，这是困难度相当高的高科技，有待国内有心结合传统产业与新兴科技进行科技整合者的投入与研究。

垂直螺桨与直升机叶片：传统垂直螺桨乃由数片叶片附于一转动圆盘上所构成，叶片的控制方式由复杂的机械连杆组成，而各叶片间的相对俯仰角固定。因此，各叶片动作时未必能达到最高效率。类似的情形出现在航空界对直升机的研究，他们发现直升机叶片震动的原因主要是来自前方叶片的紊性迹流中的漩涡，我们又无法避免其发生，也无法控制使后方叶片能避开此紊性迹流。

近年的研究发现当流场中有漩涡接近一翼面时，翼面的升力及阻力均会受到漩涡的影响而改变。因此，除了从入流角方面进行改善以提高效率外，直升机或垂直螺桨叶片的俯仰角须再做额外的微幅调整，以求能如鱼类摆动身体及尾鳍般，适当地切入前面叶片尾迹流所产生的漩涡中，如此方能利用漩涡的动能提高效率，并减少不当切入前面叶片尾迹流所造成叶片震动的噪音。目前对垂直螺桨的研究，在荷兰、加拿大、英国、意大利与台湾均有发展，在荷兰还有人大胆提议将叶片改成水平的，因此被称为「鲸尾推进轮」。 青出于蓝？ 麻省理工学院研究机器鲔鱼的传塔菲罗（Michael S. Triantafyllou）教授有这样的感想：「在实验室里模拟的机器鲔鱼，只是我们探究鱼类游泳奥秘的第一步。当我们的机械模型越精致，我们越会对自然演化出来的鱼类生物赞叹不已。一旦这些亿万年来神秘的演化过程被一步步地了解，或许有朝一日，人为的设计还可能超出鱼类的巧妙呢。」然而，当我们向生物看齐时，美国杜克大学长年研究生物流体力学、比较人类科技与生物演化结果的史蒂芬‧佛格教授，于《猫掌与弹弓》一书中也提出一些他的研究心得，指出一些我们在模仿生物时不该忽略的事：

尺度越小，仿生的前途越光明。从人类文明的进化过程来看，人类对于大型构件的创造远较小型构件为优，然而生物的演化往往是从组成个体的细胞开始演变，最后才产生结构上的变化，这一演化的事实似乎暗示着从材料科技仿生着手，远比从结构或机械系统的仿生更有前景。

天择与人类发明间固然有许多相似处，但相似处多半是必然的物理定律或环境条件造成的。相反地，两者的设计理念与方式往往差距甚远，相异处其实更多。

自然有时确实能提供一些典范给我们，但是自然原则却不必然是人类效法的指标；我们不要误认所有的问题只要回归自然、崇尚自然的方法或法则后就能迎刃而解。

自达尔文以降，生物学家了解到来源不同也可能产生相似的结果。这种趋同原理暗示了环境限制及诱导的作用，同时指出了何者容易发生与何者较为重要。在我们比较人类科技与演化结果时，也当注意这原理的暗示。

或许当我们能够洞察其它生物的各种运作原理，并且十分了解我们所需要解决问题的本质与各种限制时，才是我们可以开始判断在科技上是否能成功地模仿生物的时机。也只有当生物学与物理学发展到某一程度，二门科学能相互融通，使得我们对大自然有了更深入的了解时，我们才会慢慢体会到这宇宙既简单又复杂的本质，也才会逐渐领悟到「崇法自然」也不尽然是对的。 资料来源： 《科学发展》2003年5月，365期，56～61页(pdf檔)