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動漫「自我修復機器」在現實技術的可行性評估:以鋼鐵人和鋼彈為例

在動漫中有許多機器具備令人驚訝的「自我修復能力」,例如部分鋼彈或鋼鐵人都具備自我修復的裝備。人們對於機械自我修復的想像力十分廣泛,從奈米機械、機械病毒乃至於液態金屬都有,既然如此,這個夢幻的想法在現實生活中又是被如何實現?如果要實現又基於何種技術和想法?

■ 為什麼需要研究自我修復機器?

首先我們要先問:為何對自我修復如此嚮往並為了這個想法創作許多作品?因為我們期待有能夠長久使用且可靠的工具。在軍事上,我們需要能在槍林彈雨之下生存的怪物機械;就某方面而言,能自我修復的鋼彈正是這種機械

在生活上,我們需要堅固的生活用具,從桌椅到房子如果能自我修復,則使用壽命會增加(以房子而言,如果遇到地震後自我修復,可能變得不易坍塌減少傷亡);在醫學上,我們如果能達到強大的自我修復能力,那就能夠使移植的人工心臟或關節能夠使用更長時間。

因此,我們回到為何要實現自我修復技術的應用,就是因為自我修復材料能在各領域產生革命性的突破,雖然目前自我修復技術對於破損的程度要求十分嚴格而且修復時間絕對不是瞬間,但是可以確定的是這個想法在未來一定會被大規模應用並改變人們的生活。

高分子材料的修復機制

在材料的分類上基本上分三類:金屬、陶瓷和高分子材料,高分子材料就是所謂的聚合物,我們生活常見的塑膠袋、手機保護殼、保麗龍、曬衣架和樂高都是高分子材料,這一類的材料由輕到重,由軟到硬或者是由透明到不透光,應有盡有,而且因為高分子材料是大多是有機化合物,因此如果說到自我修復,高分子材料的機制也有非常多不同的種類,下圖說明了這些機制大致上的種類:

 

物理機制

在這個類別中,主要有氫鍵(hydrogen bond)、離子鍵(ionic bond)、靜電交互作用(electrostatic interaction)、疏水交互作用(hydrophobic interaction)及各種分子間作用力(multiple intermolecular interaction),這些作用都不涉及共價鍵,強度通常比較弱,但是比較容易達成。

舉例來說,日本東京大學曾經有一位學生 Yu Yanagisawa 發現一種會自我修復的玻璃,破損時只要壓三十秒即可修復,這個玻璃會自我修復的關鍵在於其中一樣成分,聚醚硫脲(polyether-thiourea),這個聚合物會在破損時利用氫鍵修復,如下圖所示:

 

我們由此可知物理機制的自我修復比較不需要限定特定的環境條件,因為這些機制主要是分子間的交互作用,只要這些材料斷裂就能及時修復,但這種技術也有一個問題,分子間的交互作用雖然可以重建,但是如果外力大到連這些聚合物分子本身的共價鍵也斷掉就沒辦法進行修復,因此我們就會思考是否連分子內的共價鍵也能自我修復,而這的確能達成,也就是利用化學機制。

化學機制

而且在這個類別中,我將要介紹以下機制,也就是狄爾斯—阿爾德反應(Diels-Alder reaction)、酰腙鍵(acylhydrazone reaction)、亞胺鍵(imine reaction)、雙硫鍵(disulfide reaction)和苯硼酸鹽和酯類絡合(phenylboronate ester complexation):

 

● 狄爾斯—阿爾德反應(Diels-Alder reaction)

這個反應可以將使被損壞的高分子材料恢復,就如同上圖所描述,兩個分開的聚合物可以被連接而達到修復的效果,雖然在室溫下就可行,但是要花上七天,在即時性的應用上顯得十分不足,剛才提到的物理機制只要花上三十秒即可,有十分明顯的差距。

而其他種類的反應跟狄爾斯—阿爾德反應的原理一樣,都是試圖讓斷鍵修復,這些反應大多都有費時的特性,因此在實用上目前主要是用在要長久使用的器具,在即時性的應用好比軍事運用則暫時難以派上用場,而我沒提到的反應的機制則。由下圖統整:

● 陶瓷材料的自我修復機制簡介

這一類材料的修復機制比起高分子材料較為少,因為這一類材料修復的機制是形成新的陶瓷材料,而新的陶瓷也不一定跟原本的相同,這一類材料自我修復的條件比起高分子材料更為嚴苛,因此實用上更為受限,以下展示了部分陶瓷材料自我修復的方式:

這些方法主要的差別在於修復反應發生的條件不同,有由氧氣(oxidationactivated)、摩擦(tribologically-activated)、熱(thermally-activated)和濕度(humidityactivated)引起的反應,這些反應會將裂縫填補使材料恢復,而且對於陶瓷而言,裂縫不填補會導致這些部分一旦受一點力,力會集中在裂縫尖端,進而往外延伸,而導致整個材料碎裂,但是這些機制並不完美,

舉例而言,Ti3AlC2 要在1100℃ 空氣中氧化兩小時以修復 5 微米的裂縫,這雖然在保養陶瓷方面有效,但是在實際應用上大概只能作為煉爐的塗層,因為只有這樣溫度才夠高,能達到保養的效果。

● 金屬材料的自我修復機制簡介

金屬材料是從青銅器時代就開始發展的領域,而目前金屬材料的自我修復主要是藉由替補材料的填充達成,如果重新整理前面陶瓷跟高分子材料的修復,就能知道各種材料都有自己的修復方式,

其中高分子材料是直接修復斷掉的鍵結或產生物理上的交互作用,而陶瓷材料是藉由外界環境引起反應,而金屬是藉由外界材料的補充以自我修復,而自我修復的機制如下圖:

修復的方式有分微觀及巨觀的修復方式,微觀上,可以設計一些奈米微粒,使奈米微粒在高溫或低溫時(high-T or low-T precipitation)聚集到微小破口並沉積以進行修復,而利用奈米形狀記憶合金進行修復也是一種方式,利用其變形填補空洞(nanoSMA-dispersoids)。

而在巨觀上,利用形狀記憶合金使材料破碎時破裂面能自動癒合,而之後只要融化金屬便可接合斷面(SMA-clamp&melt),也能製造一些管子或膠囊,當金屬破裂,這些管子或膠囊會破裂並流出修復材料(solder tubes/capsules),又或者是用塗層,當金屬破裂,塗層會填入並修復(coating agent),最後,我們也利用電將金屬材料重新結合(electro-healing),可以用在電器產品中。

其實,有些技術並非金屬特有,例如製造一些管子或膠囊的方式也運用在高分子材料或陶瓷材料中,膠囊中的聚合物原料被釋放後會利用化學機制自我修復,但是膠囊或管子的堅固程度難以掌握,因為太弱會在沒損傷時破裂,太強會在有損傷時還不破,

但除此之外,這個概念其實不錯,因為這個方法能提供即時性的修復,通常條件也較不嚴苛,甚至有人做出微血管的結構以使修復更加有效。而 SMA-clamp&melt 的技術也有十分不錯的結果,利用 TiNi 形狀記憶合金,只要加熱到169℃就有不錯的修復效果,修復率達到 95%

● 總結

以上,我們介紹了各種材料的自我修復機制及問題,自我修復材料最大的問題莫過於嚴苛的修復條件,在陶瓷材料尤其如此,而且就算這些問題被克服,在工程上要如何實現也是一大問題,例如膠囊跟微血管的結構就是如此,這也是為何這些材料的應用大多都是願景,而無法投入生產。

動漫中的自我修復機制在生活中的實踐

在這裡,我舉幾個例子討論動漫中自我修復在生活中實現的可能性及可能的實現方法,而現在,我將不考慮實際的問題,也就是假設時間、金錢和人力都是無限的情況下,那我們能夠將動漫中的自我修復材料實現到何種程度。

● 鋼彈

我們看到鋼彈承載了許多人類對科技的想像,從各式各樣的武器到自我修復甚至還連增殖的能力都有,以「 ∀ 鋼彈」的設定為例,自我修復的能力來自於受傷時會聚集的奈米機械,這個想法是真的可能實現,

用的方法是創造一些管子或膠囊,甚至做成血管的結構,奈米機械一般的時候在體內遊走,一旦受傷,奈米機械便會聚集並進行修復,但是最大的問題是在於要如何製造奈米機械,為光是晶片就是奈米尺度,而機身本身因此不能過大,而且修復用材料本身也要有空間存放,因此在製造上有一些障礙,

但我認為並非不能實現,只是目前實現的可能性很小。事實上,我認為以電力促進修復的方式以目前而言更容易實現,因為人們對於創造電力仍然比較在行,與其花時間創造血管並大量製造奈米機械,直接利用電力進行修復也許較為實際。

● 鋼鐵人 Mark L 血邊盔甲

這個是鋼鐵人在無限之戰跟終局之戰中使用的盔甲之一,其自我修復要素在其中的「奈米修復噴霧」,只要使用奈米分子就能將裝備破損的部分修理好,這跟金屬的自我修復很像,只是差在原料是由外部供給,而非盔甲本身的設計,

故修復不一定要材料本身直接癒合,也能藉由提供外部材料達成,這能處理一件我先前忽略的問題,那就是關於如何填補失去的材料,如同人類一樣,這些會自我修復的材料還是會耗損,因此為了補充材料,我們需要進食,而且這件事人們有機會達成,而且焊接在某種程度上就是這類技術的呈現,因為奈米分子能夠有效率的被吸收,而且至少比創造所謂的奈米機械簡單,

因此我認為如果結合噴霧跟電力,也許能以目前的技術達成自我修復的效果,但時間的長短仍然會是重要因素,因此以目前而言,動漫中的自我修復也許能達成,但是大概不是我們想像的那樣,因為在技術上仍有許多不足。

由以上兩個舉例,我們能知道自我修復並非不可能,如果要設計,我們能以鋼彈或是盔甲中的電力進行修復,而原料也能利用奈米噴霧,有時候這些金屬機械的表面有陶瓷塗層,而陶瓷塗層的問題可以以高溫解決,也就是將啟動時所產生的溫度聚集在破損處,而破損可以由 X 光偵測,

為了讓機身有可動性,也許有些部分會用高分子材料填補,例如關節的部分跟微血管結構,這些可以用物理或化學機制修補,物理機制可以用在比較不會受到損傷的部分,而化學機制則能用在常受損的部分,我們同樣能用熱作為促進反應的方式,

故筆者認為,利用熱也許是一個關鍵,因為要促進修復,最快且最好應用的方法就是熱,畢竟電力設備多會產生熱,而加入催化劑也許也是其中一種方式,但最關鍵點仍然要看未來是否能縮短熱的反應時間。

自我修復材料的產業問題及計畫

最後,以現在的產業科技一些發展作結,並提出三個結論點:

1. 現實生活中的自我修復技術到底是用何種原理進行?
2. 這些技術面臨了哪些困難及挑戰?
3. 動漫或電影中的再生能力真的能在現實中做到嗎?

其實,各國的自修復材料的計畫有很多,美國空軍科學研究辦公室投資五千萬美元給伊利諾大學,歐洲有第七期架構計畫聯盟投入 370 萬歐元和英國公司 Element Hitchin 以進行航太自修復材料的研究,中國在第十三個第五年規劃中也將自修復材料列為國家型推動項目,

其國家自然科學基金委員會與荷蘭科學研究組織合作研究專案當中也有不少與自修復材料相關,而反觀臺灣,大部分是由私人研究團隊進行,缺乏大型研究,因此在這方面的研究投入相對較少。因此臺灣在缺乏大型研究計劃的情況之下,

自修復材料難以在短期內投入正式應用,更不用說還原動漫中的自我修復機械,也許動漫中的自我修復機械是否能被創造無關乎我們的生活,但是藉由探討這個可能性,我們能知道目前的技術距離自我修復材料還很遠,

我認為即使是有投入大量資金的國家在短期內仍然無法創造鋼彈、Mark L 又或者是液態金屬機器人之類能自我修復的大型器具,但是這個產業日漸重要,也許在不久的將來臺灣也會為了這個技術而投入資金,因此就算現在不可能,但是在不久的將來,這些技術將會被一一實現,

時候,我們的生活會更加便捷,壞掉的電腦過幾天又能運作、刮傷的車子過幾天又煥然一新,又或者是會出現一位穿著鋼鐵裝的企業家也說不定。


SOURCE

1. 國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心,科技 政策 觀點,自修復材料介紹及其發展概況,取自:https://portal.stpi.narl.org.tw/index?p=article&id=4b1141427395c699017395c756a31ee4

2.Wikipedia, Self-healing material, from:https://en.wikipedia.org/wiki/Self-healing_material

3. Frontiers, Soft Self-Healing Nanocomposites, from:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2019.00137/full

4. ResearchGate, Hydrogels Based on Schiff Base Linkages for Biomedical
Applications, Figure 3, from:https://www.researchgate.net/figure/Formation-ofimine-hydrazone-acylhydrazone-or-oxime-through-reactions-between-primary_f
ig1_335257537

5. LiFe 生活化學,破鏡也能重圓?!能自癒的玻璃,取自:https://www.lifeche
m.tw/blog/180202

6. EXTREMETECH, New Polymer Could Lead to Phone Screen That Heals When
Cracked, from:https://www.extremetech.com/extreme/260817-new-polymer-leadphone-screen-heals-cracked

7. ACS Omega, Structure−Reactivity Relationships in Boronic Acid−Diol
Complexation, from:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsomega.8b02999

8. AVS, Self-healing ceramic coatings that operate in extreme environments: A
review, from:https://avs.scitation.org/doi/full/10.1116/6.0000350

9. ResearchGate, Self-healing-metals, from:https://www.researchgate.net/publication/304549172_Self-Healing_Metals

作者|梁晉官

本文是我們於國立大學之課程討論作業的成果之一。讓學生選擇自己有興趣的題目,透過遊玩遊戲或觀看動畫,進而提出問題,加以解釋與觀察,最後成為期末作業。

提供學生作為觀看者、參與者與評論者的一種練習與嘗試,也與我們推廣的「輕學術」有相連結之處。我們希望透過這種方式,讓學生遊玩觀賞或創作自己喜歡的作品,進而獲得練習的機會。

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