《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》推薦序

師法自然的武功秘笈:仿生設計的永續靈感搖籃

國立中興大學物理學系副教授   紀凱容 

我和本書作者胡立德 (David L. Hu) 教授結識於2007年,當時邀請他來臺灣擔任第一屆生物物理研習營的講者。2015年,他和門生楊佩良博士探討為什麼大象和狗狗尿尿的時間一樣長的「21秒排尿法則」研究,獲得搞笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize) 的「殊榮」,而今 (2019) 年,他們再度獲獎,主題是:「袋熊的便便為什麼會是立方體?」

這些乍看令人發噱的研究主題,其實內容同樣地令人驚豔,在學術界得到不少迴響。但是有的政治家顯然不太喜歡這麼「重口味」的研究,2016年美國政治家評選的「最浪費國家經費的二十項科學研究」名單中,胡立德教授與他的團隊就貢獻了三項。不過這些批評並沒有打擊這個好奇又無畏的科學家,反而讓他意識到的確有必要向社會大眾(也包括那位政治家)說明為什麼動物學研究值得投資:因為能促進人類福祉。怎麼說呢?

自古以來的「師法自然」思維在21世紀有個新名字,就叫做「仿生學」(biomimicry)。倘若能破解生物生存適應的法則,就有機會突破當前科技發展的瓶頸。人類喜歡看會動的東西,也喜歡製造會動的東西,看到其他動物「異於常人」的運動能力,便想運用在機械設計上,提升工作的效率。在機器人學與人工智慧蓬勃發展的今天,「動物如何運動」便成為當今科學界潛心探究的對象。而這本書談的,正是動物運動學與未來機器人的交會。

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動物運動學是「生物力學」(biomechanics) 的分支,即便我們沒太多機會上正課,但這肯定是日常生活中最有感的「實驗課」:每天睜開眼睛、翻身、起床、走路、如廁、覓食……這一連串的肢體動作,都涉及力的作用。每當進行科普演講,與來自不同背景和年齡層的聽眾分享生物力學的故事時,常會得到以下的提問或回饋:

「如果小時候的物理課(或生物課)這麼上,我就不會那麼怕物理(生物)!」

「那麼多有趣(奇怪)的研究靈感怎麼來?」

「有沒有推薦的中文科普書?」

    而今,《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》這本書正好可以同時回應以上的問題與需求。

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這不是一本科學家傳記,而是許許多多的小傳。作者將科學家的面貌從幕後移到臺前,以偵探或冒險小說手法,帶領讀者身歷其境:喜歡釣魚的大男孩,如何成為死魚居然會游泳的發現者?離鄉背井赴美深造的印度理工學院學生,如何開始研究蟑螂,進而設計出耐壓的微型機器人,好穿梭在地震災區的瓦礫間,尋找生命跡象?邊讀邊讚嘆「小強真強!」,但同時也發現牠們還是有罩門的。剛完成水黽研究的新科博士生,如何轉而玩起蛇來?這是2007年沒能當面問作者的問題,也在書中得到解答。作者仔細描述蛇鱗的精妙,並用滑冰來比喻蛇的運動,讓我再度卸下對蛇的恐懼,以美學和生物力學來欣賞這群神奇的動物!

飛蛇如何在空中「游泳」?砂魚蜥如何在流沙中穿梭自如?蚊子如何不被雨滴給撞飛?火蟻大軍又如何越獄?…… 故事情節有如偵探或冒險小說,疑惑與意外接連,直到終能破解謎題時的「啊哈~」時刻。書中有許多「史上第一回」的里程碑,也有「居然可以這樣用!」的驚嘆。另外還有諸如研究人力哪裡找、跨領域團隊怎麼合作、市面上沒有合適的儀器設備怎麼辦、如何跟怪奇動物打交道、社會有什麼資源等給本行學術人的求生指南。這些不只是有趣的動物運動學故事,也往往能解決當今的工程或醫學問題,促進人類福祉。

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有別於其他動物運動學相關書籍,本書不以生物類群或運動模式等表象來分類,而是以所涉及的物理學原理區分章節,這有助理解物理學在探討生物系統時的廣用性。讀者將與歷史同行,見證邁入本世紀之際「動物運動」如何開始吸引更多工程或物理學家,共同尋找節能與高效率的新方案。在受到生物啟發的同時,工程學家所提供的構想與技術,也成為復興動物運動學的轉捩點。無論是相關領域的初心者,抑或是教學、研究者,都能從書中得到啟發。

一本好的科普書是窺見新天地的一扇窗,是能引領我們從未知到著迷的啟蒙老師。對跨領域主題而言,除了內容有趣外,科學知識或概念說明的淺顯易懂,還有提供參考文獻來滿足讀者的求知慾,也不可或缺。這本書符合這些要件。

閱讀本書時,難免會因生活經驗的差異而影響對書中情境的想像,建議讀者直接拜訪書中科學家們的實驗室網頁,或運用關鍵字,來查看相關影像。在臺灣,市面上的動物運動學教材不多,這本書適合作為導讀,用以引起學生的興趣,也同時複習(或情境式學習)物理學的基本概念和原理。

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「最美也最奇妙的無盡之形,仍持續演化中」(…endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved.),達爾文在《物種起源》一書如此作結。

因著演化出的構造與功能,萬物才得以從生存競賽中出線,其中有感官上的美與感動,也有因跨領域科學帶來的讚嘆與啟發。唯有保護生物多樣性,這本師法自然的武功祕笈,才能成為仿生設計的永續靈感搖籃。

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書籍資訊:https://www.sanmin.com.tw/Product/index/007589965

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