2014年8月19日 星期二

壁虎尾巴的學問

Robert Full:壁虎尾巴的學問

生物學家Robert Full曾致力於研究壁虎具有吸附力的腳趾及其超強的攀爬能力。
但是近日獲取的高速攝像影片,卻展現了壁虎在其尾巴的使用上也有著驚人的才能。




本文原發表於 科學影像Scimage[2010-12-25]

演講內容

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我今天要告訴各位一項新的發現, 我要以事件發生的原貌呈現給各位, 我不想讓你們有參與科學會議報告、 或是閱讀科學期刊的感覺。 這件事超越了生物模仿學, 我把它叫做「互惠生物學」。 我把這個學科定義為生物學與其他學科間的互動, 每一個學科都會互相受惠於其他學科, 但是集眾學科之力,其成果將超越單一學科領域。 以生物模仿學來說, 由於人類科技從自然界學習到許多東西, 大自然就成了一個全能的老師。 工程學則受生物學之啟發, 在運用生物學的原理和功能後獲益良多。 將二者相結合之後, 最終我們將能發展出超越大自然的科技。
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身為一個生物學家,我對這個很好奇, 這些是壁虎的腳趾, 我們很好奇為什麼他們能用這麼神奇的腳趾 在牆上迅速地爬行。 我們發現, 他們的腳趾有像樹葉一樣的結構, 上面長滿了數以百萬計的細微毛髮,就像毛毯一樣。 這些細微的毛髮末端嚴重地分叉, 每一個末端都有一百到一千個奈米級的分叉。 一隻壁虎身上大約有二億個這種奈米級的分叉。 他們不是靠魔鬼氈、吸力或是黏膠去吸附在牆上, 而是利用分子間的作用力來吸附, 又稱范氏引力。 我很高興告訴各位, 世界上第一個人工合成、完全不沾黏的乾性黏著劑已經誕生了。 從自然界的壁虎身上, 和我一起共同研究的工程學家Ron Fearing, 在柏克萊製作了第一個人工合成的仿壁虎黏著劑。 還有另一個與我一起研究的科學家 Mark Cutkosky, 在史丹福製作了比壁虎大上許多的毛髮, 但也運用相同的原理。
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這是他們的第一次測試。 (笑聲) 那是Kellar Autumn,之前是我的博士班學生, 目前在路易斯暨克拉克大學擔任教授, 他把他的老大拿來測試。 (笑聲)
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最近,還有這件事。
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男人:這是第一次有人用這種東西進行攀爬。
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旁白:Lynn Verinsky是個職業攀爬者, 看起來充滿自信。
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Lynn Verinsky: 老實說,這很安全,絕對沒問題。
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男人:你怎麼知道?
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Lynn Verinsky: 因為我有買保險。
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旁白:下面有安全墊,再綁上安全索, Lynn開始往上爬,她要爬60呎。 Lynn爬上終點, 就像好萊塢與科學的完美結合。
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男人:你是第一個真正模仿壁虎的人。
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Lynn Verinsky: 哈!哇!那真是榮幸!
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Robert Full: 她爬的是粗糙的表面, 但是她也曾利用這個爬上平滑的表面, 分成二個動作,先吸附住,再把自己拉上去。 你們可以在外面的大廳試試這個東西, 看看壁虎啟發我們做出了什麼東西。 現在的問題是,我們在機器人身上裝設了這種材料, 但機器人的手一旦吸附住表面, 就拿不下來了。 這是壁虎的作法,他們會把自己的腳趾從表面上「剝」下來, 用很快的速度, 好讓他們爬上牆壁。
3:15
我很高興可以向你們展示 最新版本的機器人, 我們將新開發出來的乾式黏著劑運用在這上面。 這就是機器人, 它可以做到這樣, 如果你仔細看, 你會發現 它也把腳趾從表面上「剝」下來, 就像壁虎一樣。 如果我們可以把影片再放長一點,你就會看到它爬到牆壁上了。 (掌聲) 你看, 因為有這種新的黏著劑,所以它可以爬上其他表面, 這是史丹福團隊設計的 了不起的機器人。 (掌聲)
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噢,我想要講一件事,看看那個機器人, 你會看到有一個東西在上面,它不只是看起來像一隻壁虎而已, 它還有尾巴。你以為你夠瞭解大自然了, 但其實不是。 工程師告訴我們, 如果不幫這隻會爬的機器人裝上尾巴, 它就會從牆上掉下來。 所以他們提出了一個 重要的問題, 他們說:「嗯,這看起來像條尾巴。」 即使我們只是裝飾性地裝了一條沒有作用的尾巴在那裡。 「動物在爬牆的時候會用到尾巴嗎?」 他們這麼做反而是幫了我們一個忙, 讓我們就這個假設進行測試, 因為我們這些生物學家壓根也沒想到這件事。
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這當然讓我們覺得很緊張, 因為身為生物學家的我們,早就應該知道這件事才對。 於是我們想:「嗯,尾巴有什麼用途?」 我們知道尾巴儲存脂肪, 或是可以用尾巴勾住某個東西讓自己不要掉下去, 或是如同大家都知道的, 尾巴是用來保持平衡的。 (笑聲) 尾巴可以用來保持平衡, 讓我們看看這隻袋鼠, 看到它的尾巴了嗎?真的很不可思議! Marc Raibert仿袋鼠做了一個跳動機器人, 如果沒有裝上尾巴,就不能保持穩定。 大部分的尾巴都會妨礙行動, 就像這個穿上恐龍裝的人一樣。 (笑聲) 我的同事還針對這一點進行了測試, 測試延長慣性作用的時間,所以他們讓一個學生裝上象徵性的尾巴, 然後在一群障礙物裡跑, 發現速度都降低了。 就跟大家想得一樣。 (笑聲) 但是,這是個沒有作用的尾巴, 你也可以換上有功能的尾巴。
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當我回去研究這個問題的時候, 我發現以前Nathan曾發表一個 TED演說, 就談到了具有功能的尾巴。
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影片:Myhrvold認為揮動尾巴的恐龍, 其實是要追求異性,而不是要打架。
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Robert Full: 他認為像鞭子一樣揮動的尾巴,其實是在傳遞訊息, 也可以用來防衛, 很有力的工具。 所以我們再回來看看壁虎, 我們把它趕上一堵牆壁, 但我們在牆上補了一塊 黃色的光滑板子, 然後注意看右邊,看看壁虎在快要滑下來的時候, 它的尾巴會發生什麼作用。我們把影片速度放慢十倍, 這是正常速度, 現在它要滑下來了, 看它的尾巴在做什麼。 它的尾巴發揮了第五隻腳的作用, 讓它可以保持平衡。 如果你把光滑的區域再放大多一點,就會看到這種情形, 真的很不可思議! 這些工程師的想法真的很棒!
6:55
我們當然會想, 好,他們的尾巴有作用,那麼再想想看, 如果他們爬上一堵牆,或一棵樹, 然後爬到頂端有樹葉的部分, 如果他們爬到樹葉背面的時候, 剛好有風吹過來,或者我們搖晃那個樹幹,結果會怎樣? 所以我們做了那個實驗,你看看。 (掌聲) 這是我們拍攝的影片, 用正常速度播放,你什麼都看不到, 所以放慢速度。
7:23
我們看到世界上最快的空中翻轉, 你們如果還記得一點物理常識的話,這就是角動量為零的反應。 但它的動作看起來像貓, 就像貓掉下來的反應,貓也會這樣,他們會旋轉自己的身體。 但是壁虎做得更好, 因為他們會運用自己的尾巴。 當他們在旋轉的時候,有用到尾巴的力量, 所以降落的時候就像超人在空中下降的姿勢一樣。 接下來我們想,如果我們想得沒錯, 我們應該在實體模型上測試一下,就是在機器人上測試。
7:52
為了TED,我們真的打造了一個機器人, 是原型機器人,有尾巴的哦。 所以我們打算在這個有尾巴的機器人身上, 測試第一次的空中翻轉。 請打開燈光, 好,可以開始了。 請看影片, 就是這樣, 就像是動物的動作一樣。 所以你只需要一條尾巴來幫助你旋轉。 (掌聲)
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我們會覺得驚訝, 是因為壁虎並沒有滑翔的本領, 所以我們想:「好吧,我們把壁虎放進一個垂直的風管, 吹氣上來,然後設定一個降落點,就設定一個樹幹吧... 放在塑膠玻璃圍籬的外面,看看它的反應如何。」 (笑聲) 我們真的做了,請看影片。 風會從底下吹上來,這是速度放慢十倍的影片, 它滑翔得非常平穩,控制得非常好, 真是令人不敢相信!你如果替它照張相, 其實還挺美的呢! 還不只這樣,在它滑動的時候,它還可以在空中轉向, 它將尾巴擺動向一邊 好向左偏轉,然後再擺動向另一邊再向右偏轉, 就是靠這個動作來轉向的。 還有,我們看了好幾次影片才相信它會做這個動作, 看,它還會做這個動作, 它會像海豚一樣上下擺動尾巴, 就像在空中游泳一樣。 再看看它的前腳,看到它在做什麼嗎? 像不像在振翅飛翔? 或許這是由樹上下來的動作演化而來, 然後它試著做得像滑翔一樣。 別轉台哦! (笑聲)
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然後我們又想:「他們真的能夠控制方向嗎?」 所以我們設了一個降落點,看他們能不能降落在那裡? 現在它在風管裡, 它好像很享受的樣子, 你看到它上升的時候做得更好, 看看這隻壁虎, 完全朝降落點前進。 看看它尾巴的擺動,你看看, 真是令人不敢相信!
10:03
我們有點搞不清楚了, 因為以前從來沒有人說過壁虎會滑翔。 所以我們想:「天啊!我們得到野外去, 看看野外的壁虎是不是真的會滑翔。」 這完全和你看的野生動物影片製作的觀點相反, 我們想:「他們真的會在野外滑翔嗎?」 我們跑到新加坡和東南亞的森林裡去, 等會兒你們將會看到首次公開播映的影片。
10:21
這是真實的野外影片,不是設計過的, 是真的研究壁虎滑翔下來的影片--那兒有一條紅色的滑翔線, 在末端可以看到壁虎, 當它靠近樹的時候, 要注意看特寫鏡頭,看看你是否能看到它降落的畫面。 它下來了,有一隻壁虎在滑翔線的末端, 看到了嗎?在那裡,它下來了, 你看上面的特寫鏡頭就會看到它降落的畫面,看到了嗎? 它真的有用它的尾巴幫忙, 就像我們在實驗室裡看到的一樣。
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所以我們可以繼續這種互惠的機制, 告訴這些工程師他們可以製作一條有作用的尾巴。 這是第一個裝設有作用的尾巴的機器人, 由Boston Dynamics製作。 結論是,我覺得我們應該建立生物互惠學的機制,就像我所展示的, 這樣會增進基礎科學進步的腳步。 但要做到這一步,我們必須對教育做出重大改變, 以加強各學科間溝通的深度, 並讓各學科的專家有機會教學相長。 當然這需要環境的配合,以及適當的機制。 不管你在不在乎安全、搜救、救援或健康, 我們都必須保護大自然的設計, 否則這些祕密將會永遠遺失。 而我從新任總統的談話中得知, 我可以對這件事抱持樂觀的態度,謝謝各位。 (掌聲)

以上中文翻譯  來自Ted網站
http://www.ted.com/talks/lang/chi_hans/robert_full_learning_from_the_gecko_s_tail.html