如果我們在路邊抓了一隻綠色的攀木蜥蜴回家，將牠放在養殖箱裡飼養，裡面擺放著幾節枯掉的樹幹。幾個星期後，稍加注意會發現，攀木蜥蜴的外表顏色好像變得跟枯木頭的顏色差不多，由於牠會緩慢的改變皮膚外表的顏色，所有人說這是台灣原生種的變色龍。另外，竹節蟲也具有類似緩慢變色融入環境背景的本事，見圖1。[1]相對的，海洋裡的章魚變色的速度極快，是瞬間變色。墨魚有能力透過外表乳突的形狀和隆起的程度改變牠皮膚的物理紋理。這有點像我們人被嚇到時，瞬間會起雞皮疙瘩的樣子（見圖2）[2]。墨魚、魷魚和章魚這些頭足類生物藉由神經控制色素細胞，讓身體外表的圖案改變做為溝通與偽裝，這功力在生物世界裡是最厲害的。圖3顯示魷魚的皮膚顏色可短短的在幾毫秒內，利用神經控制與位於色素細胞表面的色素囊的膨脹與收縮進行重組，並將可變虹彩細胞覆蓋於外表來達到瞬間變色的功能 [3]。章魚外表的皮膚可以分成好幾層，從最底下的白色層，往上是虹彩層到最外表的色素層。章魚的顏色會隨著肌肉組織的收縮與拉伸而改變。[4]


圖 1. 攀木蜥蜴與竹節蟲的變色[1]


圖 2. 墨魚乳突產生的變化。[2] (a)強烈隆起，(b)沒有隆起，(c)部分隆起。


圖3. 是魷魚外表的黃色色素細胞膨脹時所呈現的顏色。[3]


圖 4. 變色龍及其色素細胞的變色 (a)綠色，(b)紫色，(c)深紅色。[5,6]

變色龍[5]也是我們常見的變色速度極快的生物之一，牠通常生活在樹林間。變色龍的頭部有一雙隆起明顯觀察視野幅度極大的眼睛。牠身體橫向扁平，但有色彩變化豐富遍及整個可見光顏色範圍的身體。除了變色的外表外，牠還有一個捲纏能力極強的尾巴和一具像口香糖一樣可以拉長好幾公尺的黏舌。靠著「舌眼協調」長舌精準的遠距投射與沾黏捕捉獵物，被牠盯上的幾乎難逃厄運。變色龍皮膚下有三層垂直色素細胞：可變虹彩細胞、可變黃色細胞、可變紅色細胞的囊鞘。在皮膚最底下一層是由可變虹彩細胞產生的白色。示意圖顯示，變色龍的皮膚構造最底層為黑色素細胞層，往上有一層為白色素細胞層。中間土黃色的和藍色的像紡錘型的氣球代表可變虹彩跟可變黃色細胞囊鞘。當黃色和藍色的兩個紡錘型氣球同時膨脹，整體外觀就會呈現綠色。接下來如果說變色龍眼睛看到別的東西，可能會把土黃色的地方收縮成一小束一小束，並顯現出最底下一層可變虹彩細胞的白色。這時候組合出來的顏色就比較偏藍色或紫色。可變紅色細胞來自枝狀細胞，囊鞘裡含有黑色素會到處移動。當藍色和黃色色素細胞收縮，且黑色素細胞分布較少時，會造成淺紅色；而當黑色素細胞較多，則會呈現產生深紅色。色素細胞受到神經系統和賀爾蒙控制，會隨著變色龍心情改變收縮、膨脹而變色，這種變化都是瞬間的。[6]

除了前述提及的生物，像蜥蜴、竹節蟲、墨魚、章魚、變色龍會變色之外，從生物多樣性的角度來看，有許多植物的外表也會有一些特殊的顯色方式。例如在阿爾卑斯山山腳下的高山火絨草。火絨草（Leontopodium leontopodioides）長得有點像我們冬天穿的毛線衣，可以用放大鏡觀察到絲狀的纖維呈現閃亮的色彩（見圖5）。從纖維的剖面展開的示意圖可以看到一種週期性排列的奈米級溝槽。所以，如果我們能將紡織纖維做成類似結構的話，那我們的衣服就能省去使用有機染料進行纖維染色的麻煩。


圖 5. 火絨草的外觀與顯微組織微觀放大照片，及其纖維產生之結構顏色之示意圖。[7]

顏色，其實並非實際存在。顏色之所以存在，主要是人類的生理行為結合我們週遭的光波振動所造成的感官感受。美國科學家Nassau[8]在1983年時總結了15種物體被賦予顏色的方式。基本上，顏色可以簡單分為化學染色及物理生色。化學染色就像是我們煮地瓜葉的時候，煮一煮色素會跑出來；但如果我們把孔雀羽毛拿來煮，煮完不會跑出顏色，這種靠它本特殊的排列所造成的顏色，就稱之為結構顏色（structural color）。自然界中大部分的顏色雖由色素而產生（即化學染色），但有些顏色是由生物體外表精密的微奈米結構與光的交互作用而產生。結構顏色不是人工色素，它不會隨著光線照射而褪色。結構顏色最主要是光經過週期性排列的奈米陣列產生交互作用造成的顏色，通常會產生金屬光澤特性。有些結構顏色甚至還會隨著觀察視角不同而產生變化，如：蛋白石、甲蟲及孔雀羽毛等。日本科學家Yoshioka[9,10]等人則將結構顏色造成的原理分類為薄膜干涉、多層膜干涉、光子晶體（photonic crystal）等。所謂的光子晶體，簡單的講，就是當光線照射到某種週期性奈米級排列的物質時，由於光線無法在其內部傳播，只好被反射出來，這就是光子晶體所造成的顏色。日常生活裡我們常看到的結構顏色，包括我們吹泡泡時所產生的肥皂氣泡、九孔的內層、光碟片等。大自然中的大藍摩爾蝴蝶的鱗片有特殊而精細的微觀結構會造成牠炫麗的外表。此外，如果把鳳蝶的翅膀透過顯微鏡逐步放大，就會看到一個碗狀的微觀結構。（見圖6）當一束入射光照射到碗底凹陷的基底時會將黃色光線反射出來；而當入射光照射到碗狀凹陷的垂直傾斜兩側後，光線會產生折射而照射到碗狀的另一內側，隨後再折射離開，這時會呈現藍色環。透過光線的一次反射所產生的黃色中心與透過兩次折射所產生的藍色環就會組合形成綠色圖案，這就是鳳蝶翅膀兩色並列的混色機制。[11]


圖 6. 鳳蝶翅膀的混色機制
▍ (a)鳳蝶 (b) 鳳蝶翅膀的鱗片的掃描式電子顯微鏡SEM照片。
▍ (c)用穿透式式電子顯微鏡TEM觀察黃色和藍色部位的顯微結構。
▍ (d)用光學顯微鏡觀察到藍色環是從垂直凹陷兩側的雙折射所產生。[11]

澳大利亞的國寶「蛋白石（Opal）」（圖7(a)），一般呈乳白色玻璃光澤，但由二氧化矽水合物所形成的非結晶質構造會在低溫下沉澱於岩石中。它豐富的色彩是由於入射光線與其內部排列整齊的球狀顆粒陣列結構之交互作用所造成的（圖7(b)），若與礦石中的元素，如鐵、鈣、鎂、銅等原子混摻後，其顏色會更加璀璨，圖7(c)所示[12]。而在昆蟲的世界裡顏色格外重要，牠們通常依靠結構色來進行求偶、防禦或偽裝。如（圖8(a)-(c)） Pachyrrhynchous congestus pavonius象鼻蟲[13]身上引人注目的斑點顏色可以做為一種警示作用，顯示它們是不可食用的。事實上很多的甲蟲外表都有很豐富的色彩，紅橙黃綠藍靛紫的顏色都有。不管是石頭或是昆蟲的外表，只要具有奈米級的顆粒，再把它排列整齊就會形成顏色。原理上，若想要產生特定的反射光的顏色，就只要先想辦法合成對應的奈米球顆粒大小，再透過自組裝排列技術，就將這些奈米小球進行整齊排列，就能造成特殊的結構顏色。


圖7. 蛋白石 (a)原礦；(b)掃描電子顯微鏡下的照片；(c)色彩璀燦的頂級黑蛋白石微觀結構。[12]


圖8. 象鼻蟲Pachyrrhynchus congestus pavonius (a)身上呈環狀彩虹色斑點；(b)虹彩斑點的光學反射光譜；(c)虹彩斑點的顯微鏡結構。[13]


圖9. 結構顏色的應用。[14,15]

圖9中NFU三個字母分別是以粒徑不同粒徑的奈米級保麗龍小球塗佈而成。圖9上方為垂直觀看時，其外觀皆呈現乳白色。如以45度角觀看，可以發現特殊的結構顏色被反射出來（見圖9上方）。另外，玻璃片上有「color」字母圖案，當玻璃片傾斜一個角度，就會讓紅色變綠色、綠色變藍色，RGB三原色彼此互換。本實驗室亦曾製作出光學穿透率高、結構色彩穩定性佳的光子變色薄膜，應用於防偽設計。將圖9中的紙鈔傾斜時可在特定視角看見結構色彩圖案，但其餘觀看角度卻可隱藏。[14,15]未來亦可應用於隱藏式文件加密設計、3C產品防窺片、變色指甲及特殊裝潢塗料、倉儲運輸、生物感測和環境濕度檢測等發展上。此外，若將酒精滴入以奈米保麗龍小球所繪製蝴蝶圖案的左翼後，由於酒精會滲入奈米保麗龍小球間的縫隙，取代原先縫隙間的介質空氣，造成折射率的改變，視覺上所見之結構顏色會由藍轉綠。而當酒精隨著時間慢慢揮發後，翅膀圖案上的顏色會由綠色逐漸恢復到原本的藍色（圖10）[15]。類似這樣的概念，我們也就可以設計製作一個酒精的偵測器。


圖10. 將酒精滴入以奈米保麗龍小球所繪製的蝴蝶圖案的左翼後的顏色變化。[15]

我們除了透過奈米級保麗龍球的多層整齊排列來仿生製作蝴蝶鱗片的結構顏色並加以應用外，我們亦透過昆蟲多樣性的觀察來進行仿生應用。例如，夜行性的飛蛾的複眼是由數千個直徑約20~30 微米的六角形小眼所組成。當中每個小眼的表面都具有週期性排列的奈米乳突狀陣列（Corneal nipple array）構造，如圖11所示，其週期（每個小眼的中心點至中心點的距離）約300 nm，深度則小於200 nm。由於這個奈米陣列的尺度小於可見光波長的範圍（可見光波長為390~700 nm），因此可視為一種次波長結構（Subwavelength structure）。飛蛾利用這種特殊的次波長結構，在夜晚時除了能有效避免反光而不被牠的天敵發現外，還可以在黑夜中看清楚周遭環境的動態。[16]


圖11. 為從苗栗區農業改良場取得Philosamia Cynthia ricini蓖麻蠶成蟲
▍ 掃描式電子顯微鏡SEM下
▍ (a) 蓖麻蠶的複眼結構；(b)為複眼局部放大的小眼結構；
▍ (c)為小眼間的細部構造；(d)為小眼表面的奈米乳突狀陣列結構。

大自然中除了蛾眼以外，我們周邊還有許多生物也具有類似抗反射的特性。夏天掉到地上的蟬，透過電子顯微鏡，我們觀察到牠的翅膀也具有類似蛾眼的顯微結構。你有留意到它的排列方式嗎？一顆一顆的整齊排列，很像小朋友玩的跳棋排排站，這是一種非緊密排列的特殊構造，造成蟬翼也能避免反光（見圖12）。接下來是台灣的琉璃草蟬，這也是臺灣本土的昆蟲。牠的蟬翼也具有類似跳棋這種形貌與奈米乳突狀週期性的陣列，由電子顯微鏡照片可觀察到草蟬翅膀表面乳突陣列的間距約為225nm，高度約為270nm（見圖13），但每顆像跳棋的奈米乳突間都可看到明顯的間距。所以只要我們能夠仿生製造出非緊密排列的奈米級單層構造，就能達到避免反光的目的。


圖12. (a) 高砂熊蟬（Cryptotympana takasagon）；(b)為掃描式電子顯微鏡SEM下高砂熊蟬之蟬翼特寫；(c) SEM觀察高砂熊蟬其透明蟬翼之表面形貌。


圖13. (a) 琉璃草蟬（Mogannia cyanea）；(b)為掃描式電子顯微鏡SEM下琉璃草蟬透明蟬翼之表面形貌；(c) 為(b)圖之橫斷面。

圖14為我們利用仿生科技製作的抗反射玻璃跟一般玻璃的比較，從照片中發現，一般玻璃都可以明顯看到日光燈管的反光。但利用仿生工藝所製造出的玻璃片卻看不到任何光線的反射。生物為了生存而去融入環境，經過幾億年的演化，發展出這種巧奪天工的身體構造，真的讓人驚艷不已。


圖14. 利用仿生科技製作的抗反射玻璃跟一般玻璃的比較。[16]

仿生學的領域相當廣泛，早期，達文西就設計了巧妙的機械裝置模擬鳥類的飛行，這是仿生的祖師爺。近代，在1960年代，創造出「Bionics」仿生這個詞彙作為仿生的代名詞，後來在機械上又慢慢增添了電子裝置。到了1990年代，仿生學也從原本單獨的機械及電子領域，跨域結合了材料學、物理學、生物化學、分子生物學等專業，現在甚至拓展到奈米級的微觀世界，內容擴充得更豐富，也將原來使用的「Bionics」調整為「Biomimetics」這個單字。1997年，Janine M. Benyus更進一步闡述仿生學為創新的靈感係源自於自然，並強調用生態的標準來判斷人類創新的合理性，希望我們在汲取大自然的優點的同時能兼顧到友善我們的環境，並使用「Biomimicry」這個詞彙。仿生學根據不同階段的發展也不斷的調整它的定義與用詞。隨著Bionics、Biomimetics再進階到Biomimicry，讓我們從最開始的抄襲自然、汲取自然逐漸過渡到仿生靈感的啟發。這也對應著仿生學的發展是從一開始的仿生模擬、跨域整合，再進步到重視仿生啟發的研究創新以及對環境的友善。這樣的概念與當前在推動的永續環境發展目標更是不謀而合。

 結語

現代化的仿生學重視的是師法自然，標榜向大自然學習，而非榨取。透過對各種生物的觀察，讓仿生學家有豐富的創作靈感。而藉由仿生專家的巧思妙計，也拓展了生物多樣性知識的應用範疇，兩者可謂相輔相成。結合環境永續並融入生物多樣性發展的仿生科技，才是賦予這個世界邁向淨零減排的不二法門，也是仿生學的最新定義。