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暨南專欄
以大自然為師-仿生科技發展與農業上的應用
2024.06.17∣瀏覽數:267

以大自然為師 仿生科技發展與農業上的應用

農業部農業試驗所產業發展服務中心副研究員 謝雨蒔

說起仿生,最容易令人聯想到好萊塢電影的仿生機器人,小至關鍵報告中的機械蜘蛛、大至魔鬼終結者系列的T-X機器人,都讓觀眾印象深刻且津津樂道。仿生學並非只是科幻片的奇想或新穎議題,研究範圍亦不僅限於機械領域。日本最早於1960年代開始相關研究,並於1972年推出全球第一個仿生機器人WABOT-1,具有聽覺、觸覺、視覺系統且能透過語言系統及運動系統對外互動,此後世界各國陸續投入資源進行研究,部分成果如工業用機械手臂更是已獲得業界廣泛使用。然而除了一般人認知的應用領域如精密工業、醫療,其實相對傳統的產業如農業也不乏仿生學的研發及導入。農業對於仿生學的需求為何?有哪些國家參與技術研發?有哪些已經正式導入產業的案例?未來還有哪些可以發展的方向?都是值得探討的議題,也可望因此開拓產業創新的商機。

何謂仿生?

人類文明演化的過程當中,有許多重要的發明其實都是由模仿大自然萬物而來,例如由鳥類飛翔、滑翔的流體力學開發而成的飛機、受鴨掌啟發設計的蛙鞋、由帶倒鉤的植物種子發想設計的魔鬼氈等都是大家熟悉的例子。仿生(bionic)的概念則首先由美國醫師Jack E. Steele在1958年正式提出,是結合生物學(biology)與電子學(electronics)所形成的複合詞,係指將自然界生物的系統與做法導入工程系統與現代科技進行研發,其概念已被材料、工程、電機等領域廣泛接受及採用;1997年美國作家Janine M. Benyus進一步以biomimicry取代bionics,強調在仿生的同時兼顧環境永續之必要性。如同生物是由元素、化合物逐步構成細胞、組織、器官乃至於個體,仿生學的應用也有類似的脈絡可循,以下將簡單介紹各國有趣的仿生學研發成果,並概述目前仿生科技導入農業之情形。

仿生學之材料應用

仿生學的材料應用大致上可以分為結構性與化學性兩種,結構性主要是利用自然界當中的物理結構或特性(如親水性、疏水性、導電性等)作為材料開發之參考,化學性則是參考生物界的分子結構、化學鍵結改變材料的性質。矽藻是單細胞藻類,全世界約有四分之一以上的氧氣源自其光合作用產物,矽藻更具有二氧化矽構成的多樣化幾何結構保護性外殼,加拿大的McGill大學深入瞭解矽藻的光合作用機制以及其聚合多孔玻璃狀外殼,用於光學設備、感光元件及太陽能電池之開發及改進。其他植物也有許多生物特性引起科學家及產業界的注意,例如三色堇的花瓣大幅減少光反射而最大化光散射效果,是太陽能板開發的良好模型;勳章菊花瓣的親水性結構,為透過毛細現象進行微量水分運輸的微流體裝置設計提供了參考;蓮葉的疏水性與自我清潔效果可以減少病原附著及形成生物膜入侵植物的機會,因而已被應用在建築塗料,未來可望進一步應用於農藥展著劑的改良,降低對植物可能造成的傷害。除了植物以外,動物也可以作為材料科學的學習對象,日本文科省支持的仿生化學(Biomimetic Chemistry)計畫團隊進行了各種仿生材料的開發,包括以抹香鯨的肌紅蛋白與血紅蛋白之親氧結構設計出的人造血液、以細胞色素的導電性為基礎研發生物超導體、利用豬肝的farnesyl pyrophosphate synthetase作為掌性合成的催化劑等。

仿生學之機械開發應用

提到仿生機械,往往會令人聯想到機器人,仿生機器人與類神經網路固然是其中一個主流,但除此以外,其實還有許多的機械元件是以仿生學為基礎進行開發的,人造肌肉就是一個例子。如同動物透過感覺神經接收外界訊號再透過運動神經刺激肌肉收縮,人造肌肉也必須能夠感知環境(如壓力、溫度、光度、電磁場等)的變化並做出相對的反應。記憶合金與聚合物被用於表現人造肌肉收縮的形狀、縱向與橫向的鎳鈦彈簧被用於模擬縱向與橫向的肌腱、氣動或液壓裝置為人工肌肉收縮提供動力,這些都已經能配置在仿生機器人上,使其表現更接近真實生物,也能更符合人機協同作業與微型醫療作業的需求。除了表現運動的人造肌肉,各種感知用的仿生感測器也蓬勃發展,包括以奈米線路排列成仿人類半球形視網膜,並能調節焦距與光圈以追蹤運動物體的視覺感測器;參考蟋蟀在複雜聲音環境中精準定位開發而成的聽覺感測器;模仿人類指尖辨別形狀、硬度、質地、溫度、濕度等而能鑲嵌至電子皮膚,甚至可仿照昆蟲感測氣流或魚類感測水流的觸覺感測器;以電位感測酸甜苦鹹等味道的味覺感測器;以聚碳酸酯等化合物模仿鼻腔保濕,確保氣味分子擴散至其下方感應陣列的嗅覺感測器等。仿生機器人的發展就更為多元了,由四足動物設計的仿生機器人穩定度高,可以在更複雜的地形行動甚至攀爬跳躍;模仿魚類側線感應與流線設計、擺鰭前進的機械魚除了水下攝影以外,已能協助偵測水下環境甚至提供救援服務;靈感源自鳥類與昆蟲的撲翼機器人也已經可以在狹小的環境飛行並執行任務。

仿生機械與農業

農業在過去往往需要仰賴大量人力進行整地、耕種、管理、採收,除了大型農機具,近年來仿生機械也漸漸被導入產業應用,提升作物管理效率。荷蘭PATS公司於2020年推出蝙蝠狀無人機,由架設於農業設施當中的基地台進行掃描,發現有害昆蟲於設施中飛行時,即出動無人機精準定位滅除,而不會誤殺其他益蟲。我國交通大學機械系與新加坡國立大學、南洋理工大學共同研發的撲翼飛行器,於2020年正式發表於《Science Robotics》研究期刊,相較於傳統的無人機,此飛行器沒有一般四軸無人機的旋翼,更具備滑行、低速懸停及迅速避障的功能,不會在飛行過程中不慎破壞作物,更適合農場作業項目。同樣以仿生機械執行精準農業管理的,還有美國John Deere公司,其以Blue River Technology整合電腦視覺及機器學習的系統精準辨識與防治雜草,節省了90%的農藥使用,同時大幅降低作物農藥殘留。此外,世界各國共同面對的從農人口老化與勞動力短缺,無疑對農業生產造成莫大衝擊,許多省時省力的仿生機械也因而被開發出來。新加坡POLYBEE公司以智能系統偵測環境參數,於最適時機派出無人機擾動氣流震動花朵進行授粉、以色列Arugga公司也利用人工智慧(artificial intelligence, AI)影像辨識需要授粉的花朵,並搭配氣流噴嘴震動花朵完成授粉,減少人工授粉的人力需求、昆蟲授粉的高成本與不確定性,並有效提高授粉率;日本AGRIST公司的採收機器人L具備人工智能,可以鑑別成熟的甜椒果實予以採收,同時進行枝條修剪,未來更規劃加入判釋病害與產量等功能;為了協助農民疏果整枝與施用農藥,中山大學在農業部的補助下,以骨骼孔隙結構與長臂猿手臂構造發想,於2021年推出農用穿戴式省力機具並順利技轉,減少農友手臂反覆抬放造成的疲勞與職業傷害;財團法人農業科技研究院與清華大學、臺灣大學共同研發與技轉的電子鼻,可偵測製茶過程中香氣物質的變化,取代製茶師傅嗅聞判別是否需要進入下個步驟,減少人工負擔並維持品質穩定,都是仿生科技實際應用於農業的案例。

結語

為了解決農業人力不足、高齡化,以及全球性氣候變遷造成的生產問題,我國農業部於2017年開始推動智慧農業4.0計畫,以「智慧生產、數位服務」為主軸,借重現代科技優化農業生產基礎與資訊流通,已鎖定蝴蝶蘭、種苗、菇類、稻作、農業設施等項目打造完整的智慧生產鏈並取得初步成果,當中涉及的科技層面五花八門,未來若能以更開放宏觀的角度,師法自然萬物進行研發,相信各個環節都有發展仿生科技的無窮潛力及無盡商機。

註:作者為農業部農業試驗所產業發展服務中心副研究員,現正修讀國立暨南國際大學新興產業策略與發展博士學位學程。