結合AI、材料分析、流體力學與演化分析，建立全球首套鯊魚皮多功能設計分析架構，為仿生工程提供全新設計藍圖
 

自然界中的許多生物，往往能在同一種結構中，同時兼顧多種功能。例如，不同的鯊魚皮表面結構，可依不同生態需求兼顧降低阻力、抵抗磨損、提升保護能力等多元功能。

然而，自然界又是如何達成這種「多功能最佳化（multifunctionality）」呢？日前，這一仿生工程領域的重要課題終於有了重大突破！

國立清華大學材料科學工程學系陳柏宇教授與中央研究院沈聖峰博士、國立台灣大學機械工程學系黃琮暉副教授及國際研究團隊合作，於國際頂尖期刊 Nature Communications  發表最新研究成果，團隊結合人工智慧（AI）、材料分析、計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）與演化分析，建立全球首套跨越132種現生鯊魚、超過2,000張掃描式電子顯微鏡（SEM）影像的整合分析架構，首度系統性解析鯊魚皮膚微觀結構如何在不同生態環境下，演化出兼顧流體力學效能、機械防護及環境適應能力等多功能設計原理。
 

不只是降低阻力　鯊魚皮還肩負多重功能

過去，鯊魚皮最廣為人知的特性，是降低水流阻力的能力，因此長年作為泳衣、低阻力表面等仿生設計的重要靈感來源。然而，本研究指出，鯊魚皮表面的皮齒（dermal denticles）並非只是為了提升游泳效率而存在。實際上，不同種類鯊魚的皮齒，在形狀、排列方式及表面結構上皆具有高度多樣性，反映的是不同生態環境下，各自演化出的最佳工程解方。研究發現，有些皮齒更適合降低流體阻力，有些則強化耐磨耗與機械保護能力，也有些兼顧不同功能需求，展現自然界在多重工程目標間取得平衡的設計智慧。
 

AI建立全球首套鯊魚皮分類架構

為了系統性分析這些差異，研究團隊運用深度學習技術，分析超過2,000張來自132種現生鯊魚的SEM影像，建立全球首套鯊魚皮皮齒形態分類架構！

團隊將不同皮齒歸納為十種主要形態類型，再進一步結合奈米壓痕（nanoindentation）、元素分析、微電腦斷層（micro-CT）及計算流體力學模擬，全面評估各種皮齒在硬度、抗損傷能力、礦化程度及流體表現上的差異，首次建立起「形態—功能」之間的系統性對應關係。
 

從演化看見自然界的工程設計

研究團隊進一步將皮齒分類結果與鯊魚演化樹進行整合分析，發現不同皮齒類型的出現，與鯊魚演化歷程中的生態轉變密切相關。這表示，自然演化並非只是物種的演變，更像是一場歷經數億年的大型設計最佳化過程。不同環境持續篩選出不同的表面結構，使鯊魚在游泳效率、防護能力及環境適應之間取得不同平衡，也為工程設計提供豐富的靈感來源。
 

從模仿自然，到理解自然

過去，仿生工程多著重於「模仿自然」的外觀與結構，而此研究更進一步，希望回答「自然為何這樣設計」。

透過建立形態、功能與演化之間的整合分析架構，研究團隊提供了一套理解自然多功能設計的新方法，為仿生材料、節能設計及智慧工程等領域提供新的設計思維，也展現清華工學院結合材料科學、人工智慧與跨領域工程研究，持續推動工程創新的發展能量。

未來，工程師不僅能複製自然的外型，更有機會掌握自然歷經數億年演化所累積的設計原理，進一步發展兼具多項性能的新型工程材料與表面設計。
 

研究團隊運用 AI 建立全球首套鯊魚皮齒形態分類架構，首度系統性解析不同皮齒設計如何對應不同工程功能與演化歷程。