仿生設計以鯊魚裝泳衣為例
仿生設計是以自然界萬事萬物的「形」、「色|、「音|、「功能」、「結構|等為研究對象,有選擇地在設計過程中應用這些原理進行的設計,結合仿生學的研究成果,為設計提供的思想、新的原理。
其過程從尋找生物特性,再探討其機制,以科技技術為後盾,進而開發出新的仿生設計。
仿生設計師必須涉獵到數學、生物學、物理學、工程學等專業知識理論。
一、鯊魚裝的由來
游泳運動員的泳衣與比賽成績有著密切關係。從抹油、裸泳到尼龍奧運會之初,有的運動員往身上抹油,以減少在水中阻力,但很快就被禁止。然而實驗証明:不穿泳衣時的阻力要比穿泳衣時大9%。之後尼龍泳衣開始風靡世界,這種泳衣可以自由伸縮,但是在經線的方向上容易拉長,只好在胸部襯入橡膠層。
聚氨酯纖維稱雄20年,於1976年,美國杜邦公司生產的聚氨酯纖維材料被用於製造泳衣,這種面料能夠防止泳衣被拉長時流過更多的水,泳衣性能由此有了飛躍性提高。這一材料的泳衣使用了很
多年直到2000年,「鯊魚裝」出現。
二、原理
早在很久以前就有生物學家觀察到,那些游泳效率極佳的魚類、鯨豚類的皮膚很特別,似乎可有效的排除水中阻力,快速的向前游。
任何流體和物體的接觸面上,都會形成「邊界層」,而游泳時,『水流經人體時會形成黏滯傾向的邊界層,且在離開人體會產生擾動尾流,尾流處的壓力要比物體前端低很多,因此在物體運動的反向會出現阻力。』這類阻力的大小與物體形狀有關,若是流線型,流體和物體的剝離點會推到物體的較後方阻力也會降低。例如:流線型設計的跑車因阻力小,其行進的速度就比房車快得多。
泳衣減小了水流的摩擦阻力,同時也使運動員不能「抓住」水流有效地向前推進自己。
三、科技技術
『SHARKSKIN/FASTSKIN是一種模仿鯊魚皮膚組織構造及搭配AquabladeII的魚鱗V形條紋,此條紋同樣地更有製造小漩渦功能,進而達到如同鯊魚在水中般之最低阻力及最高效率的速度。』
而鯊魚裝具有吸水量少、速幹功能高、貼合性強的特點,可以將水中阻力降低10%,氧氣消耗減少5%,從而減輕運動員比賽中的體力消耗。而且該布料的泳衣是市場上最輕的,也是輕巧型織物泳衣中受靜態阻力最小的。但它的彈力比同類產品高15%,增加了核心穩定性和高度的抗壓縮性,可減少肌肉振動,讓身體的流線型得以加強,還可使他們在水中保持更長時間的最佳姿勢,取得更好的速度。
表面構造減阻法
鯊魚裝是最新一波的科技「仿生學」的神話,以泳衣的織物紋理「模擬」海中鯊魚表皮上層層相疊的魚鱗,翻轉原本「表面越光滑阻力越小」的常識,以奈米科技創造無數綿密的V形皺摺溝槽,造成織物表面的粗糙化,來改變紊流邊界層的結構與速度分布。
以鯊魚皮泳衣有傳統的流體力學想像,以「流線」造型來降低阻力,比一般泳衣緊縮七十倍的力量,壓迫人體肌肉線條與形態,讓泳衣與身體肌肉間完全沒有消耗能量的震動空隙,甚至直接把人體主軀幹轉變成一種肌腱結構。捨棄傳統織物的接縫方式,以超聲波黏合技術一體成形,完全無針腳、無皺摺。但因鯊魚裝為奈米級結構,若表面被刮傷,就會破壞其效能,減阻效果就會下降。
『在適當的位置上挖一些微小的壕溝,這些壕溝會改變貼近物體表面的流場紊性邊界層中原有的結構與速度分布,因而減少摩擦阻力。』
四、穿著
鯊魚裝也許很神奇,但想要穿上身,可是麻煩透頂。
因為鯊魚裝沒有車縫,若要正確穿上這衣服並且和身體沒有任何空隙,這件泳衣是無法自己穿著的,必須由他人協助一起出力穿上,因為穿的時候要一邊拉、一邊推出空氣。不過就算有了協助,要完整的穿好它也要花上半個小時的時間才行。
鯊魚裝在穿戴非常複雜,想要泳衣把人體包裹得盡量緊一點,必須要先在手腳上套上塑料袋,然後幾個人用指腹一點點向上推,絕對不能用力拉扯。
設計人員表示,這種泳衣的後背波浪形拉鏈也設計得相當精密,「拉鏈必須緊貼脊柱,稍微穿歪一點,就會自動崩開」。
五、材質比較
泳裝布料是決定一件泳裝好壞的關鍵因素,不能太薄、太軟,因為太薄的布料一下水就會變得很透明,讓人非常不自在。而太軟的布料則會因為吸了水的重量之後變得鬆垮垮的,無法固定住身材曲線。領口、袖口變形之後,還有曝光的危險。
因此,優質泳裝的布料,先不論機能性,最起碼要具備一定的厚度以及良好的彈性。
鯊魚裝材質
「鯊魚裝」用的材料是借助了美國國家航空及太空總署(NASA)試航太器進入地球大氣層後表面承受摩擦力的風洞,對100餘種材料進行了測試後選定的。
而SHARKSKIN/FASTSKIN材質是一種模仿鯊魚皮膚組織構造搭配AquabladeII 的魚鱗V形條紋。
六、獨創設計
鯊魚裝在人體阻力最大的部位(比如胸部和臀部等),採用特殊材料,對肌肉進行適當的壓縮(類似塑身),從而改變了這些部位的形態,將運動員的身體塑造成一種最適合水中行進的體型,減少其在水中的阻力。
為了達到這些目的,這款泳衣不得不設計得非常緊身,比一般泳衣要緊70倍,高彈力的材質包裹在軀幹幾個主要的大肌肉群上,彌補大腿或手臂肌肉的凹凸,降低肌肉與皮膚振動。但這對肌肉產生極強的壓迫作用,因此運動員確實會感受到很大的壓迫感。
資料來源:
http://www.youtube.com/watch?v=PSvKoaaoNNA
http://hep.ccic.ntnu.edu.tw/browse2.php?s=403
http://hibiscusstar.tripod.com/sharkskin-p.htm
http://www.wretch.cc/blog/bonnyjustine/12531143