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

作者簡介

胡立德 (David L. Hu)

美國喬治亞理工學院機械工程學系與生物學系教授、物理系兼任教授，專長為生物運動力學。在博士期間利用力學與數學來解析昆蟲如何能水面行走，研究成果曾兩度刊登於《自然》。至今為止研究過蛇的運動、動物排尿、蚊子的雨中飛行、蟻群如何建塔與造筏等多樣原創性主題，相繼被許多知名雜誌、網站如《國家地理雜誌》、《紐約時報》等以專欄報導。獲獎無數，其中包含美國國家科學基金會CAREER獎、搞笑諾貝爾獎等知名獎項。並多次受邀擔任電視節目嘉賓，對於科普教育推廣相當活躍。

譯者簡介

◆所長｜怪奇事物所 

 ◆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，提昇工作的效率。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。此外還有， 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，並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。

第三章 飛蛇之形

我領獎時，和諾貝爾化學獎的得主達德利‧赫施巴赫(Dudley Herschbach) 握了手。另外七位諾貝爾獎得主站在一旁， 露出嘉許的燦笑。我走向哈佛大學的講臺，對超過一千名的觀眾進行演說，來到生涯的巔峰之際，我注意到有幾件事跟我想像的不太一樣：掛在脖子上的馬桶座椅很重，還開始往下滑； 站在我身後的，是一個裸體的中年男子扮成的真人聚光燈，全身漆滿銀色顏料的他，是發明全彩3D 列印的人之一；我走路時， 可以感覺腳下的紙飛機被踩扁了，這些紙飛機散落在舞臺上， 就是典禮盛大開幕時投向真人標靶（穿戴實驗室白袍、護目鏡和閃爍的紅光）的那數千架紙飛機。我走到講臺時，一個臉上有雀斑、一頭紅髮、紮著馬尾、穿著連身吊帶褲的八歲小女孩站在我旁邊，手臂在胸前交叉著。如果我的演講超過時間— 就算只有一秒鐘，她也會開始不斷大喊「拜託快停止，我好無聊」，直到我停下來為止。這不是諾貝爾獎頒獎現場，而是搞笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize)，但我卻再開心不過了。

一年前，我的心情非常低落。我兒子哈利誕生了，妻子和我分工合作，她負責餵食，而我則負責代謝系統的另一端— 換尿布。哈利精力非常充沛，覺得任何事物都很好玩，換尿布的時間到了的時候，他會試圖爬走，躲在沙發後面，一邊咯咯笑，一邊尖叫。全身沾滿灰塵的我最終會抓到他，把他帶到換尿布的桌子上，而他則會不斷揮舞著小手小腳，我把尿布脫下來後，他又笑得更大聲了。這就是當父親的日常，直到有一天， 他的尿柱直直射在我胸口上。

我從來沒有被尿過，胸口慢慢湧上一股怒氣，腦海中傳來妻子的聲音，告訴我應該大聲數數，讓自己冷靜下來。1、2、3， 我一直數，尿也一直來。漸漸地，噴射水柱變成涓涓細流，在我數到 21 秒時停了下來。幫他穿尿布時，我心想，他尿得可真久，可能有點太久了。

對一個 4.5 公斤的孩子來說，哈利的膀胱還真大。腎臟會過濾血液中的尿素，形成尿液，因此尿液量應該和體內的血液量成正比，可是，我的體重至少是我兒子的 10 倍，我的血液量應該也是他的 10 倍，照理說尿液也應該會是他的 10 倍才對。

但他尿尿的時間為何這麼久？我開始擔心了，說不定我兒子的身體出了嚴重的狀況（例如某種阻塞），所以才尿這麼久，我開始想像自己在小兒科的候診間，到處都是尖叫的小孩。我把兒子放在地上，到浴室把自己清乾淨。我看見馬桶， 決定來做個實驗，我把褲子脫掉，一手扶著牆壁，開始數數， 這是我這輩子最重要的一次排尿。1、2、3……我數到了 23 秒。我心想：哇，我兒子已經能像個男人一樣尿尿了！我應該用希臘神話中的海克力士來給他取名。我兒子的尿液量是我的1/10，但為何能尿得跟我一樣久？

這個問題的答案將促使我思考泌尿系統的形狀，並進一步思考動物的形狀對驅動體內和身體周遭流體運動的重要性。一旦開始思考動物的形狀，我便逐漸明白，動物運動不僅限於從甲地移動到乙地，還會使用身體各部位—無論在體內或體外—的運動來達成各種功能，包含清潔、理毛、進食和消化，這些動作都涉及把液體和固體物質從體內運送到體外，反之亦然。

我們周遭的動物似乎有無止盡的形貌多樣性。舉例來說， 動物的多樣性高於跑車，因為跑車基本上都設計成流線型，以減少阻力。這有部分原因是，對動物來說，形狀的作用不只是讓牠們以最快的速度從甲地移動到乙地而已，否則的話，每種動物都會像跑車一樣呈現流線型。在水裡和在空氣中，物體受不同的力作用，比方說排尿時，膀胱和尿液就會受到重力的影響，但在水裡，由於阿基米德原理作用的緣故，重力的影響就不重要了。因為水生動物的密度和周遭環境的密度一樣，牠們的重量可以被周圍的水壓所支撐，也因此，在水裡可以存在非常多樣的動物形狀，從鯊魚、魟到水母等等。對飛行動物而言，高速和燃料效能不見得是主要的演化驅動因素，面對失速 (aerodynamic stall) 或迎面而來的氣流仍能保持穩定的能力反倒較可能是驅動演化的原因。因為不同的環境，以及動物各自有的不同需求，身體的內外也就出現各種形狀。在這一章裡，我們會述說三則故事，在故事裡人們都對動物形狀有著濃厚的興趣。記住，這些形狀絕不是最佳的形狀，而是透過演化所產生的夠好的形狀。

我兒子尿在我胸口的那天，我也剛好要教大學部的流體力學課，我覺得這是個告訴學生們自身經驗的大好機會。我問班上學生有沒有人可以解釋為什麼我兒子的排尿時間可以這麼長， 他們似乎很困惑，有些人還交頭接耳。我請想幫忙用科學來回答這個問題的人舉手，一位醫學系預科生―他將來會成為泌尿科醫生―和他的朋友志願協助，因此下課後，我把他們請到辦公室。我正好有適當的工具可以給他們進行這個實驗，試試他們的勇氣。我給他們幾個碼表和一個我以前用來收集螞蟻的髒兮兮的水桶，並告訴他們，請帶著這些東西到亞特蘭大動物園， 若沒有將那裡所有動物的排尿時間都記下來，就不要回來。

帶著桶子和碼表突襲動物園是需要受過適當訓練的。為了訓練這兩位學生，我找來楊佩良 (Patricia Yang)，她是個高大開朗的臺灣研究生，在臺灣念的是物理學和海洋工程學。她和這些大學生一起到附近的公園練習接住狗尿，這個任務比我當初預期的還要困難，我最初的想法是，拿著塑膠杯跟在狗的屁股後面，試圖接住牠們的尿，但這卻演變成我實驗室裡最失敗的實驗。我們每次看見狗在撒尿時，就會像美式足球隊員要截球一樣衝上前去，狗狗當然會看到我們，並馬上驚慌起來，只尿到一半就停了下來，一邊往反方向跑，一邊對我們吠叫。使用這個方法，我們一滴尿也收集不到。隨著時間過去，我們改善了做法，使用訓練狗狗的尿布墊來收集狗尿，接著秤秤看尿布增加的尿有多重，再利用尿的密度（和水差不多）來算出尿的體積。

佩良和她的學生們也到附近的農場進行類似的實驗，測量到山羊、綿羊和牛的排尿時間和尿量。現在經過充分訓練後， 他們就要去對付動物園裡的動物了。這些動物必須待在圈欄內， 好讓大家都安全無虞，為此，他們必須採取較不具侵擾性的方式來測量排尿時間。在接下來數星期的每天下午，他們都站在烈日下的圈欄外，用一個巨大的反射板來替動物的生殖器打光， 準備好高速攝影機，然後耐心等待。附圖 6 呈現了大象的尿柱， 這是他們拍攝尿尿的能力達到頂峰的一刻。只要動物尿尿了， 他們就會記下尿了多久。

幾個星期的辛苦工作後，他們從動物園回來，全身覆滿塵土，被尿噴得到處都是，而且看起來還蠻失望的。我問他們怎麼了，他們說自己非常認真工作，但是卻沒有得到什麼有趣的結果。他們測量了超過 40 種動物的排尿時間，但發現每種動物的排尿時間都差不多，超過七成的排尿時間介於 10～30 秒，平均值為 21 秒。

我驚呼：「這就是最有趣的發現啊！」我們仔細查看數據， 我的眼睛瀏覽過他們研究的各種動物，包括狗、山羊、貓熊、犀牛和大象，但沒有對飲食、性別或排尿的時間點進行控制。即便整個實驗都沒有進行變因控制，但這些動物的排尿時間卻驚人地一致。

有些人可能會說，10～30 秒的範圍很大，但有一件事必須牢記，那就是每種動物的膀胱容量間差異很大。我的狗狗傑瑞的膀胱容量大約是一個杯子，大象的膀胱容量則是這個數字的100 倍強，能夠填滿一個 20 公升的廚房垃圾桶，你會以為大象尿尿的時間是傑瑞的 100 倍，或至少也要有 10 倍久，然而，這兩種動物清空膀胱的時間卻差不多，最多只差 2 倍。我在研討會上很喜歡請科學家同僚們猜猜大象尿尿會花多少時間，多數人會給我一個骯髒的表情，或是乾脆忽視我的問題，如果我繼續問下去，他們給的答案通常都是 1 分鐘左右，沒有人猜得到大象和我兒子尿尿的時間一樣長。