2016年8月31日

仿生與磨潤

作者/李旺龍(成功大學材料系暨奈微所教授。)

(插圖:吳宛蓁)

天空打了多少次雷,才讓富蘭克林留意到,並形成問題,進而發現了電;樹上掉了多少個蘋果,才讓牛頓發現了萬有引力;我們習慣有標準答案的教育,慢慢銷蝕我們的好奇心及靈感,卻無心留意其實許多發明則多來自生活周遭的靈光一閃。

什麼是仿生學?

仿生學(Biomimetics)是指跟生物學習,學習它的長處,應用在能夠改善人類生活的科技。大自然經過長久的演化,存活下來的生物皆有所長,都有值得我們學習的地方;理解生物絕妙能力的根本道理,再應用到創新發明之處,不是完全的複製,過程中甚至會有許多驚奇,最重要的在於發展出對人類永續生存有利的科技及策略,而非開發出加速地球毀滅的科技。仿生學是不折不扣合法剽竊大自然的智慧,是老東西有新講法(New but Old),是天底下存在許久的新鮮事,是你不知道的早知道(Things you didn’t know you knew)。

會關注仿生學是指導教授翁政義老師在1998 年間送給我《人類的出路—探尋生物模擬的奧妙》(Biomimicry:Innovation Inspired Nature) 一書, 開啟我的仿生之路。磨潤(Tribology)是從1987 年迄今的研究專長,而生醫磨潤更是與仿生密不可分。磨潤這個詞出生於1966 年,泛指兩相對運動物體間的潤滑(Lubrication)、摩擦(Friction)及磨損(Wear)等物理現象相關的科學及工程問題,而對於沒有相對運動的物體間的黏附行為(Adhesion),也是可以列入考慮的。


生活當中的磨潤

傳日常生活中有很多磨潤的問題,例如:早上起床戴上隱形鏡片、刷牙、洗臉、刮鬍子等;隱形鏡片跟角膜及眼瞼間的相對運動,還有淚液當潤滑劑;牙刷刷毛跟牙齒間的相對運動,還有混著水的牙膏當潤滑劑及清潔用途;洗臉時毛巾跟皮膚的相對運動以及擠壓出的水膜,或是混著洗面乳的磨粒當潤滑劑;刮鬍刀跟皮膚間的相對運動,多了鬍膏會舒適些。我們所駕駛開的汽車,磨潤更是主要影響因子,雨刷片要密接且順暢地將玻璃表面清潔乾淨、引擎中汽缸與活塞(環)的相對運動、曲柄軸將直線往復運動轉為旋轉運動、變速箱中的齒輪嚙合、各式軸承等等都需要藉由潤滑減低摩擦係數,減少磨損及預防破壞。

漸開線(Involute)為數學上的方程式,假設齒輪不會變形。而齒輪在運轉中把不可壓縮的潤滑油(脂)拉進其嚙合面間,為了容納這微小的潤滑油體積讓潤滑劑能夠正常使用,接觸區就產生彈性變形,所以漸開線在接觸區附近是有點小瑕疵的。這跟我們咬牙切齒一樣,當上下牙齒緊咬時,還是可以前後左右移動,因為中間有層口水把牙齒分開;如果沒了口水,換成一般的開水當潤滑劑,那保證我們的牙齒將會磨損的非常嚴重,因為口水的性能遠優於一般的開水,所以我們對痛恨的人物絕對不能吐珍貴的口水啊!

而在相對運動物體間存在潤滑膜,由於滾珠螺桿或是軸承因其珠子半徑小,當然承受的應力(單位面積的受力)就比較大,如何確保珠子跟軌道間具有一層薄薄的潤滑膜存在,則是工程上很重要的問題;沒有了那層潤滑膜,乾摩擦或混合潤滑就會產生更多的熱,使得機件受熱膨脹,加工精細度就會跑掉;所以油商莫不努力開發能在不同環境下操作的油品配方。

生態系中的黏液

談完口水,講講我們的淚液好了,我們眨眼睛就是為了能夠鋪上一層淚液保持眼球的濕潤與舒適。漫畫中的學生常常為了明天的考試而今晚開夜車用功,但又怕眼睛闔起來,因而想到用牙籤撐開的方法,其方法當然是危險且不可行的。人如果眼睛一直張著,淚液蒸發後,眼球會產生乾澀感,那到底眼皮可以張開多久而眼球不會因為太乾而受傷?我們來做個實驗,弄一點口水鋪在桌面上,然後張著眼睛看著這濕濕的口水逐漸乾掉,而眼球還是依然濕潤沒有不適感,看來淚液是比口水不容易蒸發的。......【更詳細的內容請見科學月刊第561期】

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