【2021台積電盃 青年尬科學】「科普書籍閱讀寫作競賽」優選導讀文(陳采言)

撰文:陳采言|曉明女中

當父母被還在襁褓之中的嬰兒的尿射掃一身,直接反應或許是強忍著怒火,迅速處理完。但當作者胡立德注視著一切發生後,思考著:「為什麼體積比我小1/10的小孩,尿尿的時間跟我相同?」

此時,一個看似怪異但吸睛的實驗開始醞釀。

你是否想過,動物排尿的速度與什麼因素有關?答案是:與動物尿道的長度與寬度有關,雖然大人的膀胱容量大於小孩,但較快的流速和較大的尿道截面積會使兩者的排尿時間趨於一致。而或許你可以進一步思考,動物形狀對驅動身體周遭流體的背後還藏著什麼奧秘?

如上述例子,作者胡立德等科學家們透過對動物細膩的觀察、問題的探究過程,跨領域用物理學解釋動物行為及構造。

 

用物理學知識解釋動物行為

透過作者生動的解釋物理學原理,你能在書中了解動物演化出的節能運動方式或表面結構如何幫助動物達到最好的運動功效。

首先,作者探討動物與接觸面的力學。在水面滑動的水黽成蟲長約15毫米且體重輕,作者在書中剖析水黽因「尺度」所造成的物理效應。你將用「流場可視化」一探「水黽的腳」如何在水面上高速移動並滴水不沾。

接著,作者解釋動物如何運用特殊身型、環境中介質特性來高效率運動。例如,動物在水中遨遊似乎不足為奇,但你將折服於「砂魚蜥」如何利用波浪狀扭動身軀,讓身體部位在高密度沙中,產生像「槳」一般的推進力。

你知道睫毛的「最佳長度」與鯊魚皮上的「鱗片」有什麼共通性嗎?作者透過頭髮、篩網、紙板來比擬不同的睫毛長度對水分蒸散的功效,再如偵探般透過3D列印鯊魚鱗,一窺「鯊魚鱗」是如何在擺動時拉近運動產生的渦流以減少阻力。睫毛及鯊魚鱗看似毫無瓜葛,但若用運動原理而非運動的表象來看,兩者同為動物演化下「節能」的構造。

 

動物演化的光芒,照亮科學的未來

當作者解釋完動物行為、身型結構後,進一步說明仿生學家如何將其應用在機器人設計上,並賦予機器人能因應多樣環境的節能運動。如美國演化生物學巨擘多布然斯基(Theodosius Dobzhansky),曾在期刊中寫道:「生物學的一切都沒有道理,除非放在演化的光芒之下。」

仿生學家利用動物在複雜的自然環境中演化出的最佳或最適合的運動構造及運動方式,照亮未來科學發展之路。

試著想像地震後災難現場,來回奔走的不只有救災人員,還有仿生機器人穿梭在房屋傾倒,萬瓦堆疊的現場,彌補震後電子設備缺乏的困境。像是裝有觸角的輪型機器人的想法來自於蟑螂的觸角,觸角上的毛刺讓蟑螂遇到粗糙牆面時彎曲,彎曲的觸角就像觸覺感測器,讓機器人避免碰撞到障礙物。更有比擬蟑螂的可壓縮性的仿生機器人設計,提供了機器人在縫隙中穿梭的能力。與常見的掃地機器人碰撞到物體才停止且缺乏彈性相比,能偵測粗糙障礙物、可壓縮的仿生機器人,更能被廣泛地運用。

 

新奇古怪實驗背後的精神

作者在書中強調要對生活保持好奇心,以胡立德為首的科學家們秉著尋根問底的好奇心,全心投注在實驗中。正如研究放射性元素的科學家──居里夫人之言:「科學研究不該以是否有實際貢獻來定論,而是以科學本身之美,最後科學的發現將會有機會,如發現鐳一樣增加人類生活的福祉。」像是胡立德的團隊在研究動物排尿時間的實驗中,一個個看似無用的數據,其實提供了醫生判斷病人泌尿系統是否正常的依據。

作者在書中亦用了多個仿生學的案例,帶領我們應用動物行為的小細節大智慧。想與作者一同體驗各種新奇古怪的實驗,拾起你的好奇心、運用你的觀察力,與作者胡立德一起以物理學知識破解動物忍術吧!


作品評語

呈現方式符合導讀文的形式。能融會貫通,重新組織架構,內容精闢,並善用提問法勾引讀者興趣,導讀效果佳。


書名:破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人
作者:胡立德(David L. Hu)
譯者:羅亞琪
出版社:三民書局
出版年:2020

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