【一席】陈柏宇「亲爱的鲍鱼」

陈柏宇，台湾清华大学材料系助理教授，专攻生物与仿生材料。他以鲍鱼壳、鲨鱼皮、蜘蛛丝、海绵骨架为例，师法自然，模拟自然界生物特性，并成为台湾首位应《科学》邀请撰文的科学家。

「亲爱的鲍鱼」

陈柏宇是一席第二百五十五位讲者

2014.12.23 台北松菸诚品

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很高兴来到「一席」这个舞台，讲我最喜欢的题目，这题目是「亲爱的鲍鱼」，待会我会谈到鲍鱼给我们的启示。

我先讲讲我的故事。我从小对自然，对生物，非常有热情，非常有兴趣。举个例来说，我高中时期最喜欢的动物就是青蛙。

台湾有好多种青蛙，大概二三十种，我记得那时候很疯狂的时候，我每天晚上要听一个蛙鸣的录音带，不同的蛙有不同的叫声，有的像鸟叫声，有的像狗叫声，所以我到了野外，在晚上的时候，我靠着声音我就知道，诶，这里有台北树蛙，这边有贡德氏蛙。

所以我有很多对生物的热情 ，到了大学，那时候我有两个想要念的系，一个是生物系，一个是材料工程系。我在犹豫，后来我听了我的高中生物老师一席话，他说，你对生物有热情有兴趣，你有这方面的背景，那如果到材料工程你可能会有新的体悟，可能会跟别人不一样，可以成为一个特别的人。

那到了2004年，我从台湾清华大学材料系毕业当完兵，我到美国加州大学圣地亚哥分校念博士，这是太平洋。那这边有什么特别的呢？这边就是我们有一个很好的一个海洋学院叫Scripps，旁边有一个实验室，我们有各种各样的你能想象到的吃的，各种各样的鲍鱼、龙虾、海胆、鲨鱼、海马……

它是一个循环水域的实验室，我们那时候去的时候刚好有一缸鲍鱼，大概有500只鲍鱼在一个大水槽里面，没有人管。我们的指导教师说，那我们来从鲍鱼开始研究，所以就开启了仿生这条路，一路走来，今年是大概第十年，有一点点想法可以跟各位分享。

材料科学或是仿生科技，大概在这几年会有大的突破。比如说，以前人们不知道为什么壁虎可以飞檐走壁，可以爬到天花板上，比如说蜘蛛丝为什么那么强，有很多很多假说，大家观察到很多现象，一直到最近才被发现。

都是因为有电子显微镜，我们在电子显微镜下面看一个飞蛾，蛾的翅膀它有很多鳞片，每个鳞片它还有很多凹槽状的结构，那这样的凹槽状结构它可以防水，所以下雨天它不会被沾湿。它如果被蜘蛛网黏住的话，因为它表皮粉粉的，它很容易脱落。所以它至少有两个功能，如果是有颜色的那种斑斓的凤蝶，就有更精密的一个纳米结构，它就会有一些结构性的色彩。

那这样是同一只蛾，我们看它的复眼，那复眼是有很多很多小的眼睛组成的，比较特别的是每一个眼睛的表面还有很多很多突起物。这些突起物我们称是一个抗反射的阵列，它可以吸收各方面的光，各方面的信息，它不会浪费掉。如果我们的太阳能板，可以用这样的一个阵列来铺，或是来吸收光的话会更有效率。

这边大家可能看不出来这是什么，它可以说是最原始的一个单细胞的生物，它叫硅藻。所以第一件事就是，天然的材料跟我们一般的材料很大的不同，我们含有水分，我们是从水里来的，水分非常重要。

那再来，这是其中的一种硅藻，它大小大概几个微米，你可以看到好多好多的孔洞跟特殊的层状结构，一层里面还有一层，就像以前我们的象牙雕一样。但是你可以想象它非常非常小，这样的结构它其实非常精致，非常多阶层，而且它是用二氧化硅，天然蕴藏丰富的材料所做成的。

我们如果再看一下各种各样的硅藻，你可以发现它有圆的，有方的，有圆柱形的，有三角形的，有的像罗马竞技场，有的像巴黎铁塔，你可以看到好多好多种的硅藻，那这是一个契机，就是说我们看这个最原始最小的生物，我们就可以发现它这样的多样性。

我们如果看各种各样的生物，其实我们可以学到更多，比如说从演化来讲，从硅藻，从海绵动物，到这一些软体动物，比如说我们今天讲的鲍鱼、蜗牛，到甲壳动物、昆虫，它们用的材料都非常简单。

比如说硅藻跟海绵用二氧化硅，那贝壳呢，用碳酸钙跟一点点的蛋白质或是几丁石，我们常吃的螃蟹龙虾，也是一样的一些成分。那到了鸟类、哺乳类、爬虫类、两生类，各种动物，其实你可以看到它们的骨骼，硬的组织大部分都是以磷酸钙为主的氢氧基磷灰石，还有胶原蛋白。

所以这么多样性材料本身的本质是非常简单，而且是蕴藏丰富的，所以我们在材料科学里面这几年的发展一直有一些瓶颈没有办法突破。第一个大的瓶颈就是陶瓷材料或玻璃，它本身非常脆，你可以雕得非常美，或是你做得非常精致，但是不小心打破了它就回不去，所以这是个很大的问题。

当然有很多很多进展在把陶瓷材料的韧性提升，但是一直没有非常大的突破。所以我们今天讲的例子是一个天然界的陶瓷，它韧性很好，不容易破，它就是鲍鱼。那我们看到这个鲍鱼的壳，它其实里面有一个珍珠层，它的珍珠光泽来自于里面的一个周期性的有序堆栈，一层一层，每一层大概是五百纳米。

这个碳酸钙的层状结构中间有一些蛋白质，那它为什么能够这么韧？我们知道粉笔是碳酸钙做的，它的韧性是碳酸钙的好几千倍，我之前试着把这个鲍鱼丢到地上，它不会破，那我不知道会不会毁了这个地毯（用力往地下摔鲍鱼），哦，稍微裂了一点，但是还没破。

那我想，我们可以看到这样的结构，其实跟我们方解石类似，我们看到右下角这一张方解石是天然的结晶，它会形成一种柱状的非常大的晶体，但是我们在鲍鱼里面看到的是非常薄非常薄，非常有序堆栈的晶体，其实它是透过一个生物里面有机物去控制它。

比如说我们看到这一张图，它里面有很多像圣诞树一样的结构，最尖端的地方是最新长成的，所以你可以想象它一层一层地铺平，然后最先长成的在最尖端，叠这个积木一样，每一层中间非常薄的一些是由几丁石跟蛋白质造成的一个界面，把它隔开形成类似砖块水泥的结构，那这样的结构有什么好处呢？

一般来讲，我们叠砖块我们不会把它平行地这样叠起来，我们都会交错，交错地这样叠一个砖块，好处就是，如果有一个裂缝产生的话，它不会直直地穿过去，那我们一般玻璃你划一道，一掰，沿着裂缝就可以很轻松地破坏。那有很复杂的界面，裂缝在里面蜿蜒地进行的时候，其实韧性就提升了，我们需要额外的能量才能破坏它。

不管是在厘米的尺度，在微米的尺度，还有纳米的尺度，我们看到它每一个砖块，碳酸钙的砖块，它不是平的，它有很多纳米的突起，这些突起它就像一些，比如说它有表面粗糙度造成的摩擦力，或者说纳米的一些间接，或是它里面这一些蛋白质扮演的一个胶连的作用，所以在不同的阶层，这一些韧化机制造成了这个器官的韧性的大幅度的提升。

所以我们目前在我们的研究做了一些尝试。比如说我们用镀膜的方式，我们镀一层陶瓷的膜，然后再镀薄薄的一层高分子的膜。我刚忘了讲，鲍鱼大概里面有95％是碳酸钙，所以你可以把它想象成一个陶瓷为主的复合材料。

那我们用这样的方法，左边是我们镀出来的膜，右边是天然的鲍鱼，我们可以做出一样的结构。我们也印证说，用这样的方法，我们可以提升韧性五到六倍，也有一些研究团队他们用一些冷冻的筑造法，试图做出类似的层装结构，用的材料都非常简单，非常便宜，然后透过设计达到一个韧性的提升。

那我再来换一个角度就看看，飞行也是仿生设计，人们飞行的梦想其实就是看鸟可以飞，为什么我们不能飞，对不对，那到了达芬奇有一些手稿，然后莱特兄弟真正实现这个梦想，我们现在的飞机还是不断地在演进，中间很大的一个关键就是如何轻量化。

我们都知道飞机现在轻量化还是一个问题，不管是飞机、汽车，或是一些别的交通工具，它会耗油。把飞机做得更轻是我们努力的目标，通常我们用的是金属，金属通常很重，钛合金又太贵，镁铝合金也有点问题，所以我们看看自然界的做法。

这是巨嘴鸟，台湾没有巨嘴鸟，美国有，南美有，我的指导教授刚好他是巴西人，所以他为什么要想到做巨嘴鸟的研究，就是他从小就看着巨嘴鸟，他会每天都在想说为什么巨嘴鸟会往嘴巴朝上这样飞，不会这样往下飞，嘴巴那么大为什么可以飞得那么好？因为它们会吃一些核果，所以这要够坚硬才行，所以巨嘴鸟是其中的一个例子。

当然我们可以看鸟类的羽毛、骨头，或是一些蝙蝠的骨头，来找轻量化的灵感，如果我们看巨嘴鸟，可以看到一些怎么样设计轻量的材料，如果没有材料就最轻，所以你可以看到我们巨嘴鸟的里面，它最中间的地方是完全中空的，完全没有材料，到中间的地方有很多复杂的骨架，然后外面有一个角质层外壳包起来。

比较特别的是它这一个薄膜的地方，它有很多，它每一个面都被薄膜覆盖就像我们搭帐篷，假设里面有一个支架断掉了，它这薄膜还会把帐篷撑住，它不会整个垮下来，所以这样的一个外壳包，一个多孔的核心，还有完全中空，跟一些膜的设计，其实就是可以提供我们轻量化的灵感。

当然羽毛我们可能肉眼就可以看到一些孔洞，我们这边讲的是我们在电子显微镜下特别去看它这孔洞，我们发现洞里面还有洞，每一个洞其实它的每一个面都是由多孔的结构组成，至少有两个以上的阶层，它可以大幅降低它的重量，维持一定的机械性质。

那我们实验室也透过这种设计，我们设计出有比较大的微米的孔洞，有纳米的孔洞，还有一些方向性，那这些可以应用在比如说我们，做一些气体吸附，或轻量化材料，或是除湿啊，或是隔热等等的材料，都有很好的效果。

讲到鲍鱼，我刚刚想说，为什么题目是「亲爱的鲍鱼」？鲍鱼今天教了我们几件事情，第一件事情，它的壳，那我们在研究鲍鱼的时候，常常要到水槽里面把鲍鱼抓出来，你直接抓，它黏在壁上很紧，没有办法，通常要拿一个铲子把它铲起来。

当然我过了几年有经验，你如果非常快地把它抓出来，它不知道，还来不及反应它就会被抓出来，所以我们在这过程里面，感觉鲍鱼吸附力很强，它应该不像一般的蜗牛，或一般的贝类，它的吸附力很强，而且感觉到它真的有在吸我的手指头，你看指尖这么小的一个面积，可以承受一只鲍鱼的重量。

所以我们就去看，它的腹足到底有没有特别。果真，应该是说我们第一次看到的时候，非常意外地发现了这种纳米纤维的结构，跟壁虎的纳米纤维结构非常像，然后我们也做了一系列的实验去印证说，凡得瓦尔力（分子间接触后产生的一种作用力）是其中的因素之一。

我们讲一个比较直白的，一个手掌大的鲍鱼可以hold住我75公斤，应该是73公斤的一个重量，还不会掉下来，所以吸附力非常非常强。我们也看了一些树蛙，像树蛙可能大家知道都有一些吸盘，但是它吸盘并不是一般的吸盘，它从一个叶面要跳到另外一个叶面，它有一个动态的过程，怎么样能够非常有效率地脱附吸附？

其实不光是吸盘，它吸盘里面还有很多六角形的垫片，这些垫片大概是十个微米，那你可以看到它中间有一些沟槽，它会分泌粘液出来。如果我们再看一下，再深入地看每一个垫片，它是由很多纤维状的这种结构所组成，那每一个面，你可以想象它是微吸盘，这样的结构可以让它吸附得更好。

我们发现在潮湿的环境，还有在水里面的吸附是一个困难的事情，我们很多经验就是胶带碰到水就不黏，或在水里面要黏东西是一个困难的事情。

所以我现在研究就是，因为我们在台湾很多高山急流，急流里面就有一些特殊的一些鱼类跟昆虫，它们能够适应这些急流的环境，那边有很高的氧气，如果它们能够不被急流冲走，它们可以在那边待着，比较少竞争的对手，比较少天敌。

所以我们发现有一些动物，象这是一个网蚊幼虫，一种蚊子的幼虫，它是用这个吸盘，它有六个吸盘，然后你可以看到它不光是吸，它还会移动。那另外一个例子我们正在研究的是一个台湾的爬岩鳅，所以它有点像泥鳅，但是它的胸器跟腹器退化成，你可以想象成一个大的吸盘。

所以它可以在垂直的瀑布往上爬，像有一些云梯是垂直的，也没有问题，而且不光是贴着，还可以移动，它里面也有类似我们刚看到一些特殊的纳米结构。

所以其实我们在自然界，其实有很多很多有趣的事情，那刚讲的是动物，我们能换过来讲植物，植物为了适应，它必须演化出更多更好的策略，因为它们不能动，它生在沙漠，它就必须适应沙漠的环境，生在这个雨林里面，就必须适应这样的环境。

这是猪笼草，你可以看到，它干的时候蚂蚁没有掉下去，但是要到了湿的时候，表面润湿了以后，才会掉下去。所以像今天如果比较干的话，蚂蚁就可以在那边采蜜，然后回去告诉同伴说，哎，那边有蜜可以吃，如果今天是下雨或者是湿气比较重，一去就不回来。

但你总是要留一点活口，不然你这个猪笼草吃了一次它就没得吃了，所以它们在贫瘠的环境一定要有一些策略来捕捉。它其实类似莲花的这种多阶层的结构，那这样的结构有什么好处？

它是沟槽状的结构，有一些山峰跟凹谷，但是每一个山峰上还有一些纳米的结构，那这些纳米的结构表面分布了一些亲水性的蜜，那就可以让这个性质变成超亲水，超亲水就变成很滑的一个表面，昆虫通常脚底有抹油，所以就会滑下去。

滑下去故事还没有完，它可以爬出来，所以你可以看到它会试着爬出来，但又爬不出来，这些蚂蚁很努力地在爬，但是它们爬不出来，它爬爬爬会掉下来，如果你们有看，好像是蝙蝠侠，某一集他就掉到那个坑里面，一直爬爬爬，然后又掉下来，有点类似那样子。

所以，这个里面的内壁给它们的一个希望就是说，你看，开口那么大，应该爬得出去，但是它会一直爬不出去，因为里面有很多蜡，这些蜡是非常松散的结构，所以就像我们去攀岩，然后每一个那些岩点都是松脱的，你一抓就跟着抓到的这些蜡掉下来。所以这是非常残酷的，蚂蚁就会一直尝试往上爬，一直掉下来，然后最终它累了，就会被消化掉。

OK，那我们从材料端回到我们日常生活，比如说我们看到的水管，电路，常常都是一些很难看的，走直角，一样管径大小，一定要这样子做吗？其实自然界在传输的话，它们有什么样的，我们看叶脉，我们看血的循环系统，它们怎么样的分区，怎么样分布，怎么样在很有效地将血液跟养分跟水分输送到各个部位。

其实我们未来的设计是不是应该向自然学习，那最后是我们常常想要解决一个问题，都是一个单一的方向。希望建水库储水，但是通常我们花更多的努力在清淤泥，自然界像雨林，一个大雨下来，从上面到下面不同物种，不同物种它的不同的部位，它可以有各种保水的功能，比如说留在叶片上，比如在表面上 ，根部吸收，所以下大雨它不会被冲掉，也不会淹水。

所以其实我们想解决的问题不是一个单一的问题，是一个复杂的问题，必须要多层次来解决，当然多层次解决复杂的问题，就需要我们跨领域的合作。所以，我是一个从材料科学跨到生物或仿生学，所以我很多很多合作的对象是，比如说生物系、动物系、森林系、昆虫系，各种各样的研究团队。

我之前在圣地亚哥也跟动物园办了很多，很多workshop，那就是我们可以在动物园里面，比如说今天Nike来，Nike的设计师来想说他们的问题是什么，那我们找找看有没有什么动物，可以帮他们解决，我们就去动物园里面找一些资源。

通常是两天一夜的一个camp，在里面找灵感，你可以看到我们有很多很有趣的东西，像北极熊，它的毛可以保暖，这个armadillo就是犰狳，它会卷在一起一个球，跑跑跑，然后卷起来，然后就滚走，巴西世界杯的吉祥物就是这个。

那还有长颈鹿跟骆驼也是，我们有一个近距离的接触，你可以被骆驼的唾液喷到，所以我回到台湾来也是尝试跟科博馆，跟一些各方面的专家建立一些network，就是我们希望能够建立一个平台，然后互相沟通，从仿生的角度为我们找出路。

我们好几百万年前是用唾手可得的天然材料，石器时期，那到了陶器时期，我们知道用火制造出陶瓷，但是陶瓷很脆，所以开始有青铜器、铁器，那这些都需要高温高压催化剂，那还有工业革命，开始大规模地生产。到了我们现在有各种各样的材料，各种各样的电子用品，但是我们要问的是说，这些材料真的是最好的吗？

从天然的角度，它其实还可以更好，那我觉得更重要的事应该是它要能够跟自然和谐共存，所以比如说我们做出来的塑胶，如果不能被分解，那就不是好的材料，做出来的材料会污染环境，就不是好的材料。

所以我们希望回到自然，但是我们这样一路走来没有白走，我们有很多经验，我们有很多技术，那如果我可以从自然界有些启发，我相信未来会更好，谢谢大家！

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