仿生科技 - 製程排氣處理風扇自潔技術

前言

物競天擇，適者生存。生物藉由漫長的進化過程獲得了適合生存的能力，很多我們想像不到的機制隱藏在其中，即使是在科技日新月異的今日，往往會發現人類的技術早已在自然界中運用多時了，於是，觀察、學習、模仿，將在自然界取得的啟示應用於人類的科技文明，這就是「仿生科技」的概念。

仿生學的應用不僅限于產品。三菱麗陽的無反射薄膜生產技術、豐田正在開發的低摩擦材料的製造技術中都應用了仿生學。通過採用像具有拒水效果的荷葉、以及類似雪花結晶那樣無需大量能量即可形成規則構造的「自我組織化」技術，就可以降低成本、低能耗實現所需的微細構造。

「雖然具體行動尚未展開，但很多企業都在考慮採用仿生學。」這番話出自日本東北大學原子分子材料科學高等研究機構多元物質科學研究所教授下村政嗣，下村教授經常接到來自大企業經營者有關「在自然和環境方面能做些什麼」、「基於自然的技術應該如何發展」的諮詢。

發展歷史

「仿生學」(Bionics)這個名詞最早是由美國J.E.Steele於1960年提出，源自希臘文 "Bio"，有「生命」的意思，而字尾的 "nic"則有「具有...的性質」的意思。

即使早在1960年就有人提出，相關的論文卻直到2000年才陸續發表，近幾年更是受到高度的關注，如 圖一，其中，又以材料科學受到的關注最大。仿生學本身的概念並不稀奇，但是直到最近才突然受到關注的原因主要有兩點：一是環保措施的推進，其中最具代表性的就是溫室氣體的減排，二是奈米技術的發展，使得原本無法在工業產品上實施的技術變得可能。

發展仿生學以振興產業

而現今，除了積極推出仿生產品的日本，環保意識突出的歐洲對仿生學的關注更勝於日本，德國擁有大量的仿生學研究人員，2011年還在德國政府的援助下舉辦了仿生學國際展會，而在將仿生學打造成一項產業的同時，為了明確仿生學的概念和定義，德國還成立了Technical Committee（技術專業委員會）。

美國方面，則在2010年發表了一份關於仿生學未來的經濟效應的報告，他們預測，到2025年，仿生學能夠創造3000億美元的國內生產總值以及160萬個就業機會，使得很多企業開始對這一市場充滿興趣。

除了日本與歐美國家外，中國及南韓也開始致力於仿生學的研究發展，中國更是從德國聘請專家開設了仿生學研究所。

微環保風車

使用仿生學也確實可以製造出高效率的產品。其典型範例便是日本東北大學石田等人與日本文理大學合作研究的小型風車「微環保風車」 圖二。該風車的葉片就應用了仿生學，模仿的生物對象是蜻蜓。

與鳥類的翅膀不同，蜻蜓的翅膀上存在凹凸。因此，蜻蜓飛行時，在空氣黏性的作用下，翅膀上表面前緣會發生渦流。渦流沿翅膀流動，在排開翅膀周圍的空氣的同時，渦流外側會形成良好的空氣層流。蜻蜓的翅膀就是由此產生巨大的升力，遏制空氣阻力的^(註1)。

拆卸的靈感來自落葉樹木

下面來介紹從高性能、高效率而且環境負荷小的自然現象中尋求「解答」的另一個例子。那就是日本物質及材料研究機構(NIMS)環境能源材料部門混合動力材料部互聯設計組組長細田奈麻繪研究的效倣植物和昆蟲的可逆焊接產品。細田關注的是落葉樹的樹葉。

落葉樹的樹葉會隨著氣溫變化和果實成熟時產生的乙烯濃度的變化而掉落。此時，樹枝與樹葉之間被稱為「離層」的中間層會擴大，從而促進樹葉脫離樹枝。如果將其應用於金屬的焊接，就能夠使焊接在基板上的電子零件容易分離，方便回收利用 圖三。

蝴蝶教夏普做電風扇

以日本夏普公司為例，該公司從2008年至2012年5月止，一共推出了高達九款的白色家電商品，其中採用的仿生技術實例更是多達五個，如 表一。

而夏普最新的仿生產品則是以大絹斑蝶 圖四的翅膀為範本，發展出以均勻舒適的送風為賣點的風扇。大絹斑蝶翅膀呈現出外沿中部凹入的獨特形狀，而且，還具有搧動翅膀時會在翅膀上產生起伏的特點，而就是這些特性讓大絹斑蝶具備很高的滑翔能力，能以很少的振翅次數進行長距離的飛行。如果將不搧動翅膀便可長距離飛行的原理用於風扇葉片，即使壓力變動很小，也可以充份送風，新型風扇就是從這得到了啟發。如 圖五，新式的七葉風扇的葉片，模仿了大絹斑蝶翅膀的彎曲以及凹入的特性。

在導入大絹斑蝶的特性到風扇葉片之後，在不降低送風效率的前提下，壓力減少了65%，而風速分布不均的形況則降低到了原來的1/40。由於葉片彎曲，中心部的送風能力提高，改善了原本徑向風速不均的問題，而外周部分由於傾斜較小，送風變的十分柔和。

不僅如此，新型風扇的凹入設計使得單張葉片旋轉方向的後半部分送風減弱，隨後因為與下一葉片之間產生了多餘的空間，以至於壓力產生了階梯型的變化，因此，七枚葉片產生的柔和風相當於十四枚葉片所產生的量。

台積實例

酸性洗滌塔（SEX Scrubber）內的風機由於酸鹼中和的化學作用，會使得風機葉輪及風門上產生結晶 圖六，葉輪上的結晶會讓風機產生震動，進而讓馬達軸承產生磨損，而風門也會隨著結晶變多使得開度變小，甚至在不正常的情況下關閉。

有鑑於此，十二廠廠務導入了蓮葉表面特有的自潔(self-cleaning)以及超疏水性(superhydrophobicity)特性，簡單來說，水滴落在蓮葉上不會散掉，而是形成水珠的形狀進而帶走塵土 圖七，這也是著名的「蓮花效應」(lotus effect)。

實際應用為在風機葉輪及風門上塗佈一種名為Nano-SiO2的自潔塗層，使得表面產生如下特性：

超疏水性

物體表面能與水接觸角成反比，而此種塗層具低表面能及水接觸角較大之特性，使水珠不易附著，而由滾動帶離物體表面之汙染物 圖八。

低表面能

Nano-SiO₂超疏水性圖層表面奈米化之微粒鍵結具極低之極性，使汙染物不易附著於物體表面 圖九，可達到容易清潔之效果。

最後再結合不停機洗滌系統建置 圖十，利用超疏水及低表面能特性達到類似蓮葉的自潔效果。

一般情況，表面遇到水滴會發散，潔淨效果並不佳 圖十一，而在塗上塗料之後水滴會變成水珠吸附表面的微粒，而水珠與表面的附著角度小，更容易被氣流帶動以達到自潔的效果 圖十二。

而在實際測試後 圖十三除了解決了原本的結晶問題，更得到了以下效益。

• 降低機台保養頻率進而達到節省成本的目的。
• 降低故障排除時間，勞動力減少。
• 降低排氣風扇及風門不正常關閉的風險。

結論

在發展仿生科技時，還必須符合生物規範工程學的規範，這規範必須具備以下三點：

• 形成生物和植物擁有的特殊動作原理和自組裝等構造的機制
• 生物學、博物學與工程學的融合
• 社會接受性

其中最重要的就是社會接受性的部分，即便新技術對於環境負荷度多麼低、多麼節能，如果人類在使用上覺得不方便，那這項技術就無法普及。

科技不斷在進步，如何降低新技術對地球的負荷就顯得越來越重要。生物用最佳的方式去適應大自然，從中學習經驗，搭起生物和科技中間的橋樑，會是日後很重要的課題。

備註

• (註一) 蜻蜓體型小、飛行速度慢。從流體力學的角度來看，表示慣性力與黏性力之比的雷諾係數較小，也就是說，空氣的黏性力處於支配狀態。從蜻蜓的角度來看，就像是在黏稠的液體中飛行。微環保風車的葉片上排列著模仿蜻蜓翅膀的凹凸。借助這些凹凸，「只要風速達到20cm/分左右即可發電」。而且，因為材料採用的是柔軟的聚丙烯（PP），所以葉片還能夠耐受強風。由此有望製造出價格低且不易損壞的小型風車。