王鑽開：沙粒中窺探世界 —— 仿生科學哲學談
王鑽開教授現為香港理工大學協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授及機械工程學系講座教授、仿生科學與工程研究中心主任。王教授擔任Droplet的執行主編，同時亦擔任10多個國際期刊的副主編和顧問編委。發表論文350餘篇，其中在Nature、Science以及子刊發表論文60多篇，總引用37,000次，其中四篇論文引用超過1,000次。
一、生活與科學
從表面上看，物理理論看似遙不可及，實際上卻與我們生活息息相關。沒有相對論和量子力學，現代的生活根本不可想像。其實，不少生活中的現代科技，都與物理有關。沒有量子力學，便不可能出現LED顯示器、半導體晶片、雷射、MRI磁力共振；沒有相對論，便不會有GPS衛星定位、太陽能、核能發電。中國人有句成語，叫「見微知著」，意思就是從細微的跡象，便可預視事情未來如何發展。英國詩人布萊克（William Blake, 1757-1827）〈天真的預言〉（“Auguries of Innocence”）中的著名詩句，充滿哲理，那便是「從一粒沙子裏看世界」（To see a world in a grain of sand）。這可說是微觀到宏觀科學研究最直接、最浪漫的比喻。
這也是物理學家楊振寧（1922-2025）最喜愛的詩句，象徵着從微觀的細節洞察宏觀的宇宙真理。
物理和數學是現代工程科學基礎。即使是微米尺度下的小現象，背後也蘊含非凡的物理規律，能夠解決現實世界許多宏觀的大問題。
既然從一粒沙子可看到世界，那麼，從一滴水是否也可看到世界？
二、水滴的啟示
一代學術巨匠胡適（1891-1962）曾引用南宋詩人楊萬里（1127-1206）的詩作〈桂源鋪〉：
萬山不許一溪奔， 攔得溪聲日夜喧。 到得前頭山腳盡， 堂堂溪水出前村。
胡適以水作為世間最具力與美之象徵，認為無論是大江大河還是涓涓細流，儘管「環境有難易」，「有遲速的不同」，「到的時候有先後的不同」，然而卻阻不了大趨勢，故對此詩情有獨鍾。這與《道德經》所云「天下之至柔，馳騁天下之至堅」，可謂有異曲同工之妙。水向低流，人盡皆知。然而箇中藏着的科學奧義，卻不是人人知曉。溪流中的水到達緩急先後不同，速度也不一樣。就是同一條溪，同一個坡，同一個重力梯度，但是有的水流撞了石頭，有的繞了彎，有的流竄到他處。深究其背後的邏輯，水的流動與所受力的同向匹配驅動水快速通過；而流於力的不匹配導致能量被耗散，水流被破碎，流動速度也隨之減緩。由此可見，水之「流」與力之「勢」中自有大學問，當二者方向高度匹配時，能量才能高效傳遞，系統才能達到最優狀態。推而廣之，這一原理揭示了自然界的深層規律，也啟發我們通過物理學理論框架研究自然，將之應用在不同場景，從而解決許多看似無解的科學迷思。我們香港理工大學團隊仿生科學與工程中心，就是利用自然啟發的方法和原則，創造新的解決方案，以解決水、能源、環境和醫療保健方面等的重大挑戰。
三、向自然取經
如果地球是個巨型實驗室，那麼自然界當中的許多生物，其實已經參與了數十億年的「自然工程實驗」。水流過不同表面，有的親水，有的疏水，另外各種動植物和昆蟲，都各有自己獨特的身體結構，且都是經過無數次試錯歷練，才得以留下來的最優解。畢竟任何生物能夠活到現在，都必須與物理規律相契合。科學家尋找自然定律，有時其實可以不假外求，只要將最優解變化成理論框架，就可舉一反三，應用在不同層面上。早在2014年，我和團隊研究仿生荷葉表面而開發超疏水表面材料，在《自然-物理學》（Nature Physics）雜誌發表了「超疏水表面上液滴的薄餅狀彈跳」研究，我們開發的仿生表面實現了表面張力勢場與液滴流動的高度匹配，讓液滴能夠快速彈跳，並將接觸時間縮短至物理極限相比傳統表面減少了80%。這一突破為高效表面設計提供了全新思路。基於類似的邏輯，2024年我們在《自然-化學工程》（Nature Chemical Engineering）雜誌發表的研究，仿照真菌微觀結構，調控表面彈性體力場，設計出智能防結冰表面。該表面可使冰晶自動脫離，有效防止冰層堆積，為極端環境下的能源與運輸系統提供了創新解決方案。此外，我們還基於南洋杉的防水結構、蜜蜂觸角的最密感知系統，以及沙漠甲蟲的集水機制，開發了一系列仿生高能效設計，這些研究成果發表於《自然》（Nature）、《科學》（Science）、《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）等頂尖學術期刊，展現了仿生設計在多領域的創新應用潛力。向自然界學習並創造新工程設計，我們從微觀物理規律中提煉出「場匹配」理論（Field Matching Principle）與設計方法。該理論旨在實現流動（如水流、液滴）與驅動其勢場（如力場、電場、熱場）的高效匹配，從而實現能量的高效轉換。這不僅能解釋為甚麼荷葉能疏水，更能指導我們去設計各種高性能的異質界面。比如，應用在醫療領域，可以應用到手術器械和醫療植入物上，通過調控微觀的作用力，讓細菌無法依附，極大地減少患者的感染風險，同時也能應用於精準的藥物遞送。這些理論可跨界解決很多不同領域的痛點。
四、機理到應用
表介面科學在多個不同領域都有重要應用，可發展出微流控、散熱、光伏、除冰、柔性機器人等。這些研究涉及到多個物理學領域，產生了五位諾貝爾獎得主。表介面科學的貢獻是多方面的，可以優化系统的動力學性能、高效利用相變潛熱，並對表面能進行精確設計與調控。在此，談談一眾科學家們之前的發見。早在1813年，德國數學家高斯（Johann Carl Friedrich Gauss, 1777-1855）研究平方反比力場（引力、靜電場），發現了散度定理的特殊形式。稍後，在1826年，俄國數學家奧斯特洛格拉德斯基（Mikhail Ostrogradsky, 1801-1862）在巴黎科學院給出了一般形式嚴格證明。而我們團隊的場匹配理論，則進一步針對異質界面能量傳遞，發展出的普適性設計原則。通過應用場匹配理論，就可優化調控異構介面，應用在不同的場景，其中包括高效能傳熱製冷、環境能源收集、自清潔防結冰的表面、水下可逆粘附功能等。例如，基於這一理論的異質設計，能顯著強化高性能芯片的散熱能力，為下一代人工智能的發展提供堅實的硬件支撐。
五、學理的剖析
從現象到理論，數學公式完美地表達了何謂「守恆」。我們從各個領域的離散現象，發展背後隱藏的共性理論範式，幫助優化各種介面調控，可有助解決許多宏觀的大問題。至於異構介面的能效提升，本質上都是流場與物理場的梯度匹配問題。通過介面結構調控，使流速場與勢場梯度同向匹配，可實現從流體多種能量的高能效轉換。反之，如果兩者不匹配的話，能量便無法有效轉換。你可以把梯度想像成水流「下坡的方向」，把流速/能量流想像成「水流」。只有水流順着下坡（梯度）流，能量才能最順暢地從高處（高勢能）流到低處（低勢能），並轉化為動能。自然的美麗之處，在於它可以有效表達能量轉換在自然界的最優解。物理世界和自然世界的最優解的一致，就是上述「沿着最陡的方向下坡」的能量轉換。在AI深度學習的過程中，訓練大模型讓參數順着損失函數梯度（下坡）更新，才能高效地把「預測誤差」轉化為「模型精度」。換言之，這也是一種能源的轉換，本質上都是梯度方向和流動/更新方向沒有對齊，導致系統無法高效地向目標狀態演化。試想像一下，物理上讓能量高效轉換，必須想方設法減少能量損耗（在物理學上而言，就是減少熵增）。如果場不匹配，能量變成熱能散掉，熵便會增加。AI上模型訓練的過程，就是透過梯度下降，把數據中的「資訊」提取出來，再把「雜訊」篩走。丟棄雜訊這個過程，就是減低資訊熵的過程。那麼，水為甚麼有快慢之別？這是因為場匹配的不同、介面能效有高低、場的對不對齊等因素。
六、自然的力量
本文一開始提到「一粒沙子裏看世界」。其實那首詩還有後半句，那就是「一朵野花一天堂」（And a heaven in a wild flower）。仿生科學的魅力恰恰在於大自然一朵花、一片葉、一隻蜜蜂身上都有微小巧思，透過深入觀察，科學家能夠歸納出一些理論，再發展為能夠造福人類、改變生活的事物。我們學習科學，要懂得探索自然、欣賞自然、敬畏自然、愛護自然。人生從微觀走向宏觀，大自然早就為人類打造好可持續未來，只要我們虛心學習，終有一天會找到「綠洲」。
（本文由莊聖偉、黃振威整理）