翅果 × 仿生科技：當種子變成微型飛行器
自然界的飛行機制為科學家提供了創新的靈感，特別是植物翅果的獨特設計。翅果透過翼形結構與空氣動力學的相互作用，使其能夠在空中緩慢旋轉並飄落，從而擴大種子的傳播範圍。其獨特設計吸引科學家展開一系列的研究，發現這種飛行模式依賴於翼前緣渦漩的形成，可有效提升升力與穩定性，並且翅膀的柔性更能影響其降落速度與穩定程度。此外，科學家開始模仿翅果的自旋飛行特性，運用仿生技術開發微型飛行器，以提升其在空氣中的滯留時間與傳播範圍，藉由攜帶微型感測器來監測環境數據。這些仿生飛行器不僅加深了人類對空氣動力學的理解，也為環境監測與生態保護提供新方法，展現出大自然的設計如何啟發科技創新。
撰文｜許雅淳
在一場午後的微風中，你可能見過楓樹的翅果優雅地旋轉飄落，像迷你直升機般盤旋落下。這些不起眼的小種子（種實），其實蘊含了精妙的空氣動力學原理，並啟發科學家設計仿生飛行器。本文將帶你探索翅果的飛行奧祕，了解如何從自然中汲取靈感，推動科技創新，甚至改變未來的環境監測與科學應用。
自然界的飛行奇蹟
你是否曾驚嘆於植物種子的飛行技巧？不需要拍動翅膀，也沒有發動機，卻能優美地在空中盤旋、飄落。飛鳶果植物、龍腦香樹或是楓樹的翅果便是這樣的自然奇蹟。它們用極具設計感的「翅膀」延緩落下速度，使種子得以迎著側向風散布得更遠。受此小巧設計的啟發，科學家們開始關注翅果的各項特性，藉此打造微型飛行器，讓自然的智慧融入人類技術，開啟了一場關於創新與自然的冒險。
翅果設計：自然界的工程師
翅果在自然界中以精巧的設計實現了高效的飛行力學，它們利用風力進行被動散布，其飛行特性主要依賴幾何結構與空氣動力學的互動。科學家紛紛透過自由落下實驗、水中實驗、垂直風洞甚至是電腦模擬等研究方法，挖掘出翅果飛行的秘密與巧思。
Lentink等人（2009年）發現翅果的翼形設計讓它們在落下過程中產生旋轉動作，這種自轉（Autorotation）會使翼的前緣形成穩定的渦漩（翼前緣渦漩，Leading-edge vortices），這些渦漩的貼附增加了翅果的升力，使其能在空中達到更長時間的懸浮。這種升力的產生對於種子的長距離分散至關重要。
此外，台大機械系與生科系合作的研究團隊於2024年也發表了一則關於翅果之翅膀柔性程度（Flexibility）的分析，研究利用摺紙技術重建了三翅果模型，並搭配3D列印的框架製作出相對剛性的翅果模型。透過自由落下實驗與電腦模擬方式發現具有柔性翅膀的翅果展現出更低的落下速度與更高的飛行穩定性。此項研究提供了改進微型飛行器設計的新思路，尤其在空氣動力學和種子傳播研究上的應用。
向自然學習的仿生微型飛行器
翅果簡約而巧妙的結構不僅勾起科學家的興趣，也成為工程師與設計師們的靈感源泉。美國西北大學的John教授於2021年帶領其研究團隊模仿三星果藤（Tristellateia australasiae）的翼形，製造出能夠以低速旋轉降落的三維微型飛行器。這些微型飛行器的秘密，來自於一種特殊的自我組裝技術。最初，它們只是看似普通的超薄片狀結構，科學家利用形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymer, SMP）與可溶性薄膜製作出微小的「翅膀」。接著，將這些微小結構固定在預拉伸的基板上，當基板的張力釋放時，飛行器的結構受到壓縮應力作用，使其翅膀開始「自動折疊」，從平面轉變為三維形態，形成各種精巧的飛行結構。
這種微型飛行器可根據不同需求進行環境監測，藉由搭載微型感測器或顏色感測材料來測量環境中的溫度、污染物或pH值等大氣數據，使它們成為「空中科學家」，甚至未來可應用於疾病監測或生態保護領域。
讓技術融入自然：生物可降解的飛行器
為了減少對環境的影響，John教授的研究團隊在隔年使用相同的技術但更進一步採用可自然分解的PLGA與纖維素材料製造出可降解的微型飛行器。其不僅可以支撐電子感測器，還能在任務結束後自然分解，具有無需回收的環保特性。並且，此微型飛行器不僅能監測pH值、紫外線輻射，還達到了能檢測重金屬濃度的能力，讓環保與科技完美結合。想像一下，未來無人機釋放數百個這樣的小飛行器，在城市或自然環境中進行即時監測，是不是令人振奮？
科技與自然的對話
從風中飄落的種子到三維飛行器的製造，自然的設計啟迪了人類的創新。這些微型飛行器不僅是科技的結晶，也是自然與工程對話的見證，更是證明了大自然的智慧可以成為人類創意發想的最佳導師。而這群科學家便透過微型飛行器的設計，讓「種子」不再只是傳播生命，更傳遞了科學的未來。往後，我們可以期待更多來自自然的靈感發想，它們或許會顛覆我們看待環境、科技與世界的方式。
參考文獻
- Lentink, D., Dickson, W. B., Van Leeuwen, J. L., & Dickinson, M. H. (2009). Leading-edge vortices elevate lift of autorotating plant seeds. Science, 324(5933), 1438-1440.
- Cai, J. F., Hsu, Y. C., Yen, Y. C., Lee, Y. C., Peyton, B., Huang, M. J., ... & Juang, J. Y. (2024). Folding angle and wing flexibility influence the flight performance of origami winged fruits. Nonlinear Dynamics, 1-17.
- Kim, B. H., Li, K., Kim, J. T., Park, Y., Jang, H., Wang, X., ... & Rogers, J. A. (2021). Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature, 597(7877), 503-510.
- Yoon, H. J., Lee, G., Kim, J. T., Yoo, J. Y., Luan, H., Cheng, S., ... & Rogers, J. A. (2022). Biodegradable, three-dimensional colorimetric fliers for environmental monitoring. Science advances, 8(51), eade3201.