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 (電子書)

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 (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

胡立德
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具体描述

水黽如何在水上行走?蚊子為什麼不會被雨滴砸死?
哺乳類動物的排尿時間都是21秒?魚死不能復生卻能夠游泳?
讓搞笑諾貝爾獎得主胡立德告訴你,這些看似怪異荒誕的研究主題也是嚴謹的科學!
 
  ★《富比士》雜誌2018年12本最好的生物類圖書選書
  ★《自然》、《科學》等國際期刊編輯盛讚
 
  胡立德曾以「為何大象和狗尿尿的時間一樣長?」、「為何袋熊的便便是方形的?」獲得兩次搞笑諾貝爾獎。儘管他的研究曾受到美國政治家評為「浪費錢的研究」,他也無所畏懼,反而認為應該告訴大眾就算是聽起來荒謬古怪的研究題目,也可以是嚴謹的科學、對人類也都是有所助益的!這本書集合了作者自身以及多位科學家對動物運動原理的探索旅程,以推理小說般的方式敘述科學探究的過程,一步步解開動物運動的祕密。
 
  花招盡出!千奇百怪的動物運動方式
  為了在充滿各種障礙物的環境中生存,動物們奇招盡出:水黽可以水上行走,砂魚蜥能夠沙中游泳,而微小的動物最懂得以柔克剛,抵禦碰撞。看似不起眼的身體構造和動作,原來都有巧妙的用途,讓我們一起用生物力學的角度欣賞動物運動的大智慧。
 
  抽絲剝繭!破解動物運動的祕密
  從亞特蘭大動物園到新加坡的雨林,隨著科學家們上天下地與動物們打交道,探究動物運動背後的原理,從發現問題、設計實驗,直到謎底解開,喊出「啊哈!」的驚喜時刻。想要知道動物排尿的時間得先去練習接住狗尿?想要研究飛蛇的滑翔得要先攀登高塔?意想不到的探索過程有如推理小說般層層推進、精采刺激。

  師法自然!模仿動物運動的機器人
  科學家受到動物運動的啟發,設計出各種功能獨特的機器人。靈感來自蟑螂的可壓縮機器人可以在縫隙中穿梭,將可能用於搜救行動;仿效螞蟻群體活動的小型機器人能夠集體合作、自由組合……來自研究者的第一手資訊帶你一窺仿生機器人的最新發展。

名人推薦

  ◆鄭國威|泛科知識公司知識長
  ◆水丰刀|閱部客創辦人、知名youtuber
  ◆所長|怪奇事物所
 
專家審訂

  ◆紀凱容|國立中興大學物理學系副教授   審訂、專文推薦
 
專家好評推薦

  ◆林沛群|國立臺灣大學機械工程學系教授
  生物的奧妙,來自於和世界以及其相互間在時間長河上的互動與演化。美國喬治亞理工學院的胡立德教授將多年來對生物運動和仿生機器人的探索和理解,以極為生活化的口吻,搭配說書的風格,娓娓道來,是一本好讀,又容易引起讀者興趣的好書。
 
  ◆楊曼妙|國立中興大學昆蟲學系教授
  相較於耳不聰、目不明、跑不快、極度仰賴機器設備活動的人類,許多動物顯然渾然天成地配備有「超能力」!本書作者藉由生活經驗與故事的引領,帶出有趣的動物運動背後原理,為讀者揭祕。相信好奇的人們不僅可以從中得到滿足,更可以進一步獲得啟發,為人類仿生科技帶來創新的契機。
 
  ◆楊佩良|美國喬治亞理工學院機械工程學系博士後研究員、2015及 2019 搞笑諾貝爾獎得主
  從蚊子跟雨滴打太極拳,到火蟻群水上求生,研究動物忍術的科學家,常常給人一種神祕感。怎麼發現這些動物忍者?如何研究動物忍術?在這本書中,胡立德採訪了許多科學家,生動地記錄研究動物忍術的幕後花絮,告訴讀者如何融合對動物的好奇心與嚴謹的科學訓練,在幾乎一無所知的動物忍術世界中,大膽前行。
仿生学的前沿探索:模仿自然的高效运动系统与机器人设计 探索自然界的运动智慧,驱动人与机器的未来革新 本书深入剖析了自然界中一系列令人惊叹的运动机制,这些机制在生物的生存、捕食和防御中扮演了至关重要的角色。我们聚焦于那些看似违反物理常理,实则蕴含着精妙流体力学、材料科学和结构工程原理的运动模式。这不是一本关于神秘忍术的指南,而是对生物学、物理学和工程学交叉领域的一次严谨考察。 第一部分:流体动力学的优雅范式——水面运动的物理学 水面行走,是自然界中对表面张力、惯性力和动量转移的完美平衡。本书将详细拆解水黾(Gerridae)如何利用其疏水性的腿部结构和步态,在不刺破水膜的情况下实现高效、快速的移动。 表面张力的极限与利用: 我们将从分子层面解析水分子间的内聚力,以及如何通过优化接触角和腿部几何形状来最大化表面张力提供的支撑力。书中会包含详细的数值模拟结果,对比不同腿部刚度对承载能力的影响。 动态的步态分析: 水黾的运动并非静止的漂浮,而是一系列高速的“推水”动作。本书引入了高速摄影技术和流体力学软件(如OpenFOAM)的分析结果,展示水黾如何通过精确控制桨状运动产生侧向推力,并抵抗由快速划水带来的不稳定因素。这部分内容将深入探讨“非线性动力学”在微小尺度运动中的应用。 仿生学启示: 我们将分析当前水面机器人设计所面临的挑战,特别是在负载增加和水体污染环境下,如何借鉴水黾的刚性与柔性结合的腿部结构(如仿生“微型毛发阵列”)来提升机器人的续航能力和环境适应性。重点讨论了如何设计出具有自清洁和极端疏水表面的材料,以期在搜救、环境监测等领域实现突破。 第二部分:结构力学与粘附的艺术——垂直表面的征服 从壁虎的无声攀爬到昆虫的悬挂能力,垂直表面运动展示了生物在材料科学上的非凡成就。本书将重点探讨这些运动如何实现高强度、可控的粘附与脱离。 壁虎足垫的范德华力应用: 抛开所有关于吸盘或胶水的概念,我们转而研究壁虎趾垫上数以亿计的纳米级刚毛(Setae)如何通过范德华力实现宏观尺度的强大附着力。书中详细介绍了Setae的几何形貌(如端部分叉结构)如何优化与基底的接触面积和接触角度,从而使单位面积的附着力达到惊人的水平。 动态粘附与分离机制: 攀爬的关键在于“粘”与“脱”的效率。我们将运用接触力学模型,解释壁虎如何通过轻微的足部旋转或“剥离”动作,以极小的能量消耗实现高强度粘附的快速解除,这对于高速攀爬至关重要。这部分内容会涉及黏附强度随湿度和表面粗糙度的变化规律。 高分子材料与机器人抓取器: 介绍目前最先进的仿生干性粘附材料的研究进展。讨论如何利用软体机器人技术,结合柔性基底和微结构阵列,设计出无需动力输入即可在各种复杂材料(如玻璃、金属、粗糙岩石)表面进行稳定抓取的执行器。内容会涵盖电驱动、热驱动和机械驱动的仿生粘附系统的对比分析。 第三部分:运动的效率与适应性——动物运动学的优化原理 除了在特殊介质(水面或垂直面)上的运动,动物在复杂三维空间中的高效移动,也为机器人运动学提供了宝贵的模板。 多足运动的步态规划与稳定性: 以蚂蚁和甲虫为例,分析多足系统在不平坦地面上的运动学约束和稳定性控制。本书将介绍机器步态生成算法,例如交替三足步态、波浪步态在崎岖地形上的鲁棒性表现,以及如何通过调整腿部关节的刚度和阻尼,实现对地面冲击的有效吸收。 跳跃与弹射的能量储存系统: 考察青蛙、跳蚤等利用弹性势能实现高效远距离跳跃的机制。详细分析肌腱、韧带等生物弹性元件如何充当“弹簧”,实现能量的快速收集与释放,以及这在设计高能效起飞/跳跃机器人中的应用潜力。我们将引入生物力学中的“弹性能量回收率”概念。 环境感知与运动反馈: 运动的精准性离不开实时的环境信息反馈。本书探讨了生物体如何利用触觉感受器、前庭系统等,实时修正运动轨迹以适应突发变化。这部分内容将与当前机器人视觉伺服和触觉传感技术相结合,探讨如何构建一个更具响应性的自主运动系统。 结语:跨界融合的未来图景 本书最终强调,对动物运动的深入理解,并非为了简单地复制其形态,而是为了提取其背后的物理规律和工程原理。从水上浮力到纳米级附着力,从步态优化到能量管理,这些来自自然界的“解决方案”,正成为推动新一代机器人、微机电系统(MEMS)和先进材料科学发展的核心驱动力。本书旨在为生物学家、机械工程师、材料科学家以及对未来智能系统充满好奇的研究者提供一个跨学科的深度参考。

著者信息

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,其中包含美國自然科學基金會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。

審訂者簡介

紀凱容


  現任國立中興大學物理學系副教授,研究專長為比較生物力學、功能形態學、仿生學。就讀臺灣大學動物學系時,便嚮往運用力學原理來了解生物身體構造的功能,畢業後赴美國杜克大學動物學系攻讀博士,開啟生物力學的探究。回臺任教後致力於推廣生物力學與仿生學,在中興大學創講授動植物生物力學之先,也經常受邀參與各種科普講座。

譯者簡介

羅亞琪


  畢業於輔仁大學跨文化研究所翻譯學碩士班。興趣廣泛,對文字、語言情有獨鍾,譯作包括《猶太教四千年》、《一草一天堂》、《攀樹人》等。
 

图书目录

引言   動物運動的世界
第一章 水上行走
第二章 沙中游泳
第三章 飛蛇之形
第四章 睫毛與鯊魚皮
第五章 死魚游泳
第六章 雨中飛行
第七章 大腦主宰
第八章 蟻群是流體還是固體?
結語   動物運動學的未來

 

图书序言

  • ISBN:9789571467832
  • EISBN:9786263072411
  • 規格:普通級 / 初版
  • 出版地:台灣
  • 檔案格式:EPUB流動版型
  • 建議閱讀裝置:手機、平板
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:3.0MB

图书试读

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。

 

用户评价

评分

老實說,市面上關於動物行為的科普書不少,但真正能把「運動」這個主題深挖到底,還能連結到「未來機器人」願景的,卻是鳳毛麟角。我比較在意的部分是,作者是如何拿捏學術深度與大眾閱讀之間的平衡點?畢竟,像「水上行走」和「飛簷走壁」這種聽起來像是科幻電影情節的描述,背後的原理涉及的可能是流體動力學、表面張力、分子間作用力,這些東西如果寫得太過艱澀,一般讀者可能看到一半就想闔上了。但如果作者真的能成功地將這些硬核的物理概念,透過動物的例子來「翻譯」成我們能理解的語言,那這本書的價值就不可估量了。我特別好奇的是,在談到機器人應用時,作者會不會介紹一些現有的仿生機器人案例,比如模仿壁虎腳掌結構的吸附裝置,或是能快速移動的機器昆蟲。這類「從自然到科技」的轉化過程,往往是最引人入勝的。我希望這本書不只停留在描述「動物能做到什麼」,而是能更進一步探討「人類如何從中獲取靈感,並將其應用到工程實踐中」,畢竟書名都暗示了未來的機器人發展方向,如果能看到具體的技術藍圖或思考方向,那就太棒了。

评分

這本書的定位似乎非常明確:它瞄準的是那些對生物學、物理學有興趣,同時也對科技前沿抱有熱情的人。從「水上行走」到「飛簷走壁」,這兩種極端的移動方式,剛好涵蓋了液體介面和固體表面的極限運動。我比較好奇作者在處理這些課題時,會不會引入一些比較前沿的研究成果,比如奈米科技在仿生材料上的應用,或者高分子材料如何模擬動物皮膚或腳掌的特殊紋理。畢竟,要複製動物的極致運動能力,人類的材料科學必須有突破性的進展才行。例如,壁虎的腳掌有著複雜的微米級結構,這種結構如何產生強大的附著力,同時又能輕鬆脫離表面,這背後涉及到非常精密的表面物理學。如果作者能夠清晰地圖解這些微觀結構,並說明它們如何被工程師模仿,那這本書的實用價值和知識密度就會大大提升。我希望看到的是那種「喔!原來如此!」的頓悟感,而不是一堆無法消化的學術術語堆砌。

评分

這本書光是書名就超級吸引人!「破解動物忍術」這幾個字,聽起來就充滿了武俠小說的浪漫和科學探索的刺激。我一直對動物的運動機制充滿好奇,像是壁虎怎麼能在光滑的牆壁上趴得穩穩的,或是水黽(水蜘蛛)怎麼能在水面上如履平地,這簡直是違反物理定律的奇蹟啊!每次看到這些景象,心裡總會冒出一個念頭:如果人類也能辦到那該多好?這本書的切入點很特別,它不是單純地描述動物的行為,而是試圖「破解」其中的奧秘,這對我來說,簡直就是打開了新世界的大門。我猜測內容應該會涵蓋生物力學、材料科學,甚至是仿生工程學的基礎知識,用一種非常親民的方式來解釋那些複雜的原理。我個人非常喜歡這類結合了自然觀察與尖端科技的書籍,它讓我覺得,原來科學並不遙遠,它就藏在我們身邊那些看似平常的生物身上。期待看到作者如何用生動的語言,帶領我們一步步揭開這些自然界的「忍術」,或許看完之後,我對下次看到小動物時的看法都會徹底改變,不再只是欣賞,而是帶著一種工程師的眼光去分析它們的運動哲學。光是想像這個過程,就覺得非常過癮,絕對是值得買來仔細品味的書。

评分

這本書名中的「忍術」二字,用得實在是太巧妙了,它帶有一種神秘色彩和東方哲學的韻味,讓人忍不住想一探究竟,它給人一種「非人力所能及」的既視感。我猜測作者的寫作風格應該是充滿熱情且極富畫面感的,畢竟要描述水上行走和飛簷走壁的場景,如果沒有豐富的描述力,很容易寫得枯燥乏味。我個人非常看重作者的敘事節奏,希望它不是那種平鋪直敘的教科書式寫法。或許作者會用類似「偵探解謎」的方式,提出一個現象(動物如何達成某項特技),然後層層剝繭,引導讀者發現背後的物理機制,最後拋出科技應用的可能性。這種懸念設置和解謎過程,會讓閱讀體驗變得非常享受。總結來說,這本書如果能做到「知識性」與「趣味性」的完美融合,讓我在讀完之後不僅能跟朋友炫耀「原來水黽是這樣走路的」,還能對未來的機器人發展方向有更深層的理解,那麼它絕對會是我今年書架上最值得擁有的那一本。這種結合了自然奇觀、硬核科學和未來想像的書籍,實在是太對我的胃口了。

评分

以一個台灣讀者的角度來看,我們社會在推動科技創新和環境永續的議題上越來越重視,而「仿生學」正好是連接這兩者的絕佳橋樑。這本書若能成功地將動物界頂尖的運動能力「模組化」並展示給讀者,那它就不僅是一本科普讀物,更可能激發新一代的工程師和設計師的靈感。我特別想知道,作者是如何組織這些案例的?會不會是按照動物分類來介紹,還是按照運動原理來區分?如果能有系統地將「滑行」、「攀爬」、「跳躍」等基本運動模式拆解開來,然後對應到不同的動物解決方案,這樣閱讀起來會更有條理。更重要的是,我非常期待在書的後段能看到對未來影響的宏觀探討:當我們能製造出能像壁虎一樣攀爬高樓的機器人,或是能像水黽一樣在水面上快速偵察的無人載具時,社會結構、救援任務乃至於軍事應用會產生哪些根本性的改變?這種對未來科技倫理和社會影響的思考,往往能讓一本科學書籍的深度更上一層樓。

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