一、前言
（一）選題動機
上「跨領域藝術賞析」這門課時，老師放了目前在台北士林科學教育館展出的「奇幻仿生獸」特展的廣告影帶，並對製造出仿生獸的荷蘭藝術家──泰奧‧揚森（Theo Jansen）稍做簡介。看到影片當下，我覺得在沙灘上行走的仿生獸很壯觀，遠看很像多隻腳的大型怪獸，靜止不動時有點像恐龍，但卻可以用人類的行走方式向前移動，讓我聯想到電影「魔戒」中，半獸人大軍壓境的場景，因此，引發我想更進一步瞭解仿生獸的好奇心，於是，我就到科教館參觀了此展覽。
「奇幻仿生獸」展覽會場中介紹了不同時期的仿生獸，並將組成仿生獸各種零件比擬成細胞、組織、器官，如同真的生物一樣。此外，現場文字說明詳細解釋仿生獸如何藉由風力行走，讓我聯想到達文西的飛行機器（自動機的一種）；泰奧‧揚森應用在仿生獸的「黃金數字（holy number）」，讓我聯想到達文西在畫「維特魯威人（Vitruvian man）」（圖一）時所應用「黃金比例（golden ratio）」的概念；許多人甚至將泰奧‧揚森比喻成「現代達文西」，以上種種，都讓我覺得達文西自動機的手稿和泰奧‧揚森的作品有一定程度的關聯，且兩者皆是耐人尋味的藝術品，所以我想要從「達文西的自動機」出發，到「泰奧‧揚森的仿生獸」，探究這兩者所包含的生物及物理奧秘，並比較兩者的相似性。
（1487-90年。素描。威尼斯美術學院。紐約史蓋拉藝術資源中心。）
（二）什麼是「動力藝術」？
「動力藝術」（kinetic art）又稱為「動作藝術」或「機械藝術」，廣義的定義是：利用一些物理原理，使物品可以自行運動的「藝術品」，凡符合此條件的作品，都可以歸屬於「動力藝術」；至於「藝術品」的定義，可能因人而異，廣義的藝術品定義可以是：「由具有智能思考能力的動物，透過各種形式及工具以表達其情感與意識，而產生的結果」，所以我認為達文西的自動機手稿和泰奧‧揚森的仿生獸無疑是藝術品。另一方面，「動力藝術」既然是一門用到生物和物理原理的藝術，可見是一門跨「科學」領域的藝術。
二、達文西的自動機
自動機（automata，源於希臘文的automatos或self-propelling）指的是人類以人工方式複製生物動作的嘗試結果，也就是不需藉由人力輔助即能自行運作，並且可模仿人或動物動作的機器，凡是符合此條件的器械，都屬於自動機的範疇，因此，舉凡機器人、滑翔翼、達文西手稿中包含的飛行裝置、自走車、機器獅，泰奧‧揚森的仿生獸……等，都是自動機的例子。 自動機中最著名的例子莫過於達文西多份手稿（例如：馬德里手稿、大西洋手稿）中的各種設計，因為他的手稿成為二十世紀後人們的研究對象，甚至將他的設計製作成實物，我們可以說：達文西在「機器繪製藝術」上留下不可磨滅的印記，他讓這門藝術完全脫離象徵藝術的範疇，並與科學結合，因此，達文西不僅是一位藝術家，也是設計家、科學家。 在達文西的眾多自動機設計當中，我最有興趣的是飛行機器，因為這些飛行機器的手稿與後來飛機、直昇機的發明有著同樣的目的：實現人類可以像鳥類一樣，在空中翱翔的夢想。其實，達文西一直夢想在空中飛行，因而不斷進行研究，手稿中包含了拍動的翅膀、機械翅膀、飛行器、空氣螺旋槳等多種飛行機器，第三章將針對「拍動的翅膀」這種飛行機器，探討其中的奧秘。 三、飛行機器中的生物及物理奧秘──以拍動的翅膀為例
以下討論的「拍動的翅膀」係指達文西於1487-1489所繪的Flapping Win手稿，如圖二。
（一）生物奧秘
圖三為根據達文西所設計的原稿製作出的模型，圖四則是現代人改良後的翅膀，兩者主要的差別在於：達文西的模型是固定式翅膀（圈起來的部分）且有裝設布料；改良後的模型則是組合式翅膀（圈起來的部分）但沒有裝設布料。
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| 圖三 「拍動的翅膀」原始模型 |
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| 圖四 「拍動的翅膀」改良模型 |
不論是達文西原始模型或者是改良模型，圖中A部份（翅膀）的骨架都模仿了鳥類翅膀的關節；兩者的相異點在於：原始模型的翅膀只能整片上下擺動，而改良模型的骨架可以藉由拉扯七條繩索，使翅膀的關節部分彎曲，達到模擬鳥類翅膀的關節所產生動作。
簡而言之，達文西的這項設計其實是將鳥類的解剖生理構造研究得非常透徹之後，再根據牠們的翅膀所繪製而成的「複製品」。
（二）物理奧秘
1.可以「抓住」空氣的翅膀
達文西在開始研究飛行機器時認為，這是一種人類對抗自然動力學的挑戰。他深信空氣是一種不同於水，能夠被壓縮的物體，如果使用機械構造的翅膀能夠達到壓縮空氣的目的，人類就有機會漂浮於空氣之中；但其中的問題在於，如何讓被壓縮的空氣不與周圍的空氣混雜在一起？答案是能夠「抓住」空氣、隔離壓縮空氣和周圍空氣的翅膀，因為我們非常需要壓縮的空氣使我們飛起來，但為什麼壓縮的空氣可以使人漂浮在空中呢？這需要用理想氣體方程式來解釋，請閱讀下一小節。
2.理想氣體方程式
其中，P為壓力，V為體積，n為空氣莫耳數（也就是有幾個空氣分子的意思），R為一常數，T為絕對溫度（攝氏溫度＋273.15）。空氣分子的個數幾乎不會變化，溫度在短時間內也幾乎不會變化，所以等式右邊可視為定值，因此，左邊也要是定值等式才會成立。
當翅膀向下揮動，翅膀下方的空氣會壓縮（體積V變小），根據上述等式，壓力P會變大，翅膀上方的空氣相較之下體積V變大、壓力P變小，因為壓力差的關係，翅膀下方空氣會有一個淨力將整片翅膀向上推，再搭配槓桿原理（將在下一小節中介紹），就可以使比翅膀還重的人離開地面、飛起來，這就是隔離壓縮空氣和周圍空氣的重要性。
3.槓桿原理
槓桿原理是轉動力學的一部份，欲讓一個物體轉動，必須要施加一力，而翅膀上下來回拍動，若我們用高速連續攝影，並將照片疊加，會發現翅膀運動過程會形成一個「扇形」，可視為轉動的一種形式，因此可以用槓桿原理來解釋。
「支點」、「施力點」、「抗力點」可以稱為槓桿原理三要素，「支點」固定不動；「施力點」顧名思義就是外力所作用的點；「抗力點」則是指可以抵消外力作用的所在。以達文西拍動的翅膀手稿為例：
槓桿原理的公式是：
「施力臂」是指「施力點」到「支點」的距離；「抗力臂」是指「抗力點」到「支點」的距離。由上述公式知：若施力臂（翅膀到支點的平均距離）大於抗力臂（人或模擬人的重物到支點的距離），壓縮空氣施給翅膀的力（施力）不需要很大，即可使人（人的重量為抗力）離開地面，這是槓桿原理的應用。
四、泰奧‧揚森的仿生獸
泰奧‧揚森（Theo Jansen）是荷蘭知名的動力藝術家，擁有動力學博士學位的他熱愛科學，曾專心研究物理學；其後因醉心於藝術殿堂，轉而投身學習繪畫成為一名職業畫家。基於有著科學深厚的底子，加上對藝術無比的熱情，泰奧‧揚森在科學與藝術間不停地轉換身分及思考，因而被冠上現代達文西之美譽，更晉身成為荷蘭重量級藝術家，然而，在他心中，他認為：科技即是一種藝術，他曾經說過：「藝術與科技的界線只存在於我們的腦海中。」（“The walls between art and engineering exist only in our minds.”） 過去因荷蘭沿海水位不斷上升導致國士有縮小的危機，這個現象引發了泰奧‧揚森製作守護沙灘生物的想法，希望建造一些能夠採集沙子，搭建沙丘的機器人，如此一來，這些機器人就可以拯救人類不被海水淹沒，而從1990年代開始，他著手製作「海灘仿生獸」系列動力藝術項目，他努力了20年，目標是為了創造出雕塑行動時的逼真度，最後他以塑膠管和塑膠瓶的組合模式印證了雕塑是可以擁有自己的生命甚至是移動自己。
隨著設計日益成熟，他原本製造機器人的目的──拯救人類不被海水淹沒──的想法開始轉變，因為他發現他正在創造一種新的生命形態，這種新生命形態可以為人類所定義的「生命」提出一個新的視野，泰奧‧揚森將此新生命形態命名為Animaris，象徵著海灘生物，而中文則用「仿生獸」來稱呼牠。而他現在滿心希望他製造出的Animaris有一天可以在海灘上成群生活、過自己的日子、以自然界的元素為食物，行動自如、栩栩如生，不再是最初的目的了。
泰奧‧揚森所創作的仿生獸猶如真的深海世界裡的動物或是任何我們經驗上曾見過的生命體，他的創作猶如經由上帝之手般的令人驚艷，他是如何辦到的呢？其中又包含了哪些生物及物理奧秘呢？這些問題將在下一章詳細介紹。
五、仿生獸中的生物及物理奧秘
（一）生物奧秘
1.細胞、組織與器官
泰奧‧揚森認為仿生獸如同真的生物一般，因此各種生物一樣具有細胞、組織、器官等構造，以下將一一介紹。
細胞是構成生物體最基本的單位，因此組成仿生獸最初的材料便是「細胞」，如：塑膠管、保特瓶、水管，仿生獸中最複雜的細胞莫過於神經細胞（圖五），牠的神經細胞是由管子加工製成的活塞、氣閥所構成：用2隻口徑不同的水管結合成1根活塞，當中裝有氣閥，設定氣閥開啟的狀態為0，關閉的狀態為1。當一個活塞的氣閥為0的時候，另一個活塞的氣閥則呈相反的狀態，也就是設定為1；空氣灌入時，氣閥如果是關閉的狀態，內部的壓力就會增高而推動活塞、打開氣閥，同時影響到另一個活塞的氣閥自動關閉，一關閉就造成內部壓力增高而推動活塞，如此反覆動作將0與1的訊號繼續傳遞下去。這與人體內的神經細胞運作模式相似，當訊號（空氣）前一個神經細胞的軸突傳至下一個神經細胞樹突時，軸突會釋放神經傳導物質至下一個神經細胞的樹突，就如同2個細胞間有了連結（氣閥關閉表示1），訊息可以繼續傳遞下去。仿生獸的神經細胞可以將外界各式各樣的訊息傳達至身體各部位的肌肉，使牠能感知環境狀態（如：風的大小、沙灘是否積水等），進而移動與反應，就像真的生物一樣。 由不同種類的「細胞」構成的仿生獸有些堅固、有些弱不禁風、有些行動自如、有些顯得笨重，如同不同生物個體的基因有好有壞，因此這些「細胞」也隱含「基因」的概念在裡頭，泰奧‧揚森曾經嘗試用木材、金屬等材料做為仿生獸的細胞，但最後他發現製造仿生獸最適合的物質是塑膠管、保特瓶、水管，因此，可以說木材、金屬是較劣質的「基因」；塑膠管、保特瓶、水管是較優質的「基因」。以生物學的角度來看，從劣質基因到優質基因，是一種「演化」的過程，每一種生物都不停地在演化，仿生獸也不例外。
組織是同種細胞集合在一起所構成的單位，以人類為例：肌肉細胞組合成肌肉組織、表皮細胞組合成表皮組織；仿生獸中最重要的組織就是肌肉組織（圖六），此構造可以利用寶特瓶中的壓縮空氣使水管伸縮，就像人體的肌肉一樣可以收縮與舒張一樣。 器官由多種不同組織組合而成，是生物體內可行使「功能」的最小單位，例如生物的胃可以消化食物、皮膚可以保護臟器等，而仿生獸同樣地也含有多種器官，可以幫助牠們「感知」外在環境的變化：鼻子、尾巴、腦（圖七）、胃（圖八）、脊椎、腳（圖九）等。牠的「鼻子」可以偵測前方是否有障礙物；當暴風雨來時，牠的「尾巴」可以將身體像打樁機似的固定在沙子裡，避免被暴風吹走；牠的「腦」是用各種不同的管子製成神經細胞加以組合而成，就像人類的腦充滿著神經網絡，可以協調全身的運動；牠的「胃」是由寶特瓶所組成，此寶特瓶可以儲存風力，當自然的風吹進寶特瓶裡，會轉變成壓縮空氣，此壓縮空氣可以促使仿生獸自主行動，因此，「風」就是仿生獸的食物，只要有「風」，他們就可以「活著」；牠的「脊椎」和「腳」則是用多支塑膠管以束線帶綁在一起、或是接合使用，我們可以將塑膠管比擬成骨頭、接合處比擬成關節，如此一來，便不難想像仿生獸可以向生物一樣行走的原因了。
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| 圖七 仿生獸的腦 |
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圖八 仿生獸的胃 |
2.「黃金數字」與「黃金比例」
每一種生命體都會自律地移動，我們如果仔細地觀察生物，不管是前進或是後退，可以發現是腳根先離地，然後當腳根離地到某個點是腳尖才抬起來，因此只要記錄腳運動的軌跡，就有可能可以模仿出人類行走的模式。當時泰奧‧揚森注意到了這一點，所以先以電腦記錄人類行走的軌跡並模擬，進而求出構成一隻腳的各部位管子的理想比例長度，於是泰奧‧揚森發現了13個最適合的長度比例，並稱這13個數字為Holy Number，中文翻為「神聖的數字」或「黃金數字」。 仿生獸行走的特性視製造的水管長度，也就是關節與關節之間的距離來決定，只有按照人類身上發現的「13個黃金數字」打造出來的結構能讓仿生獸的步行如此優雅，因此，我們可以說人類是天生的行走高手，因為我們天生就擁有「黃金數字」，其實上帝賦予人類的不只這個，還有在第一章提到的「黃金比例」，達文西在繪「維特魯威人」（圖一）時，就是運用這個比例，才能繪出如此完美的一個人。「黃金比例」其實普遍存在於生物界中，例如：人類身高與下半身（腰部以下）的比值為1.618，上半身（腰部以上）與下半身的比值為0.618；鸚鵡螺殼上的螺旋每一圈與下一圈的周長比值也是1.618……等，如果泰奧‧揚森將此比例應用到仿生獸上，相信會是一種演化。
（二）物理奧秘
1.將風力化為行走動力
如下頁圖（圖十），存在保特瓶中的壓縮空氣可以驅動用塑膠管所製作的汽缸內的活塞，來回運動下，將風力轉為能量傳到連接的構造（腳），形成傳動軸的旋轉運動，仿生獸就能順暢地步行。
第一步：當風吹進保特瓶時，會形成壓縮空氣（藍色部份），
接著，壓縮空氣會推動汽缸
1中的活塞1，使氣閥1打開。
第二步：氣閥1打開後，壓縮空氣
進入A軟管。
第三步：進入A軟管後的壓縮空氣
會推擠汽缸2中的活塞2，
活塞向左移動推動腳的上
半部，整隻腳的活動開始。
第四步：活塞2繼續向左移，使與傳動軸2連動的傳動軸1
去推壓到活塞1，讓氣閥1
關閉而氣閥2打開，壓縮空
氣從汽缸2跑到外頭。
第五步：腳持續運轉中，會將氣閥2
關閉，完成一循環。
第六步：回到第一步，開始下一個循
環，使仿生獸繼續行走。
2.摩擦力
然而，單單只有圖十的設計是無法讓仿生獸行走的，如果世界上沒有「摩擦力」存在、到處都滑溜溜的話，仿生獸的腳雖然會運動，但無法前進，就像是車輪在泥濘中打滑、人在光滑的地板上走路會跌倒是一樣的道理。現在，讓我來說明摩擦力如何幫助仿生獸和人類行走吧！
「摩擦力」作用在彼此有接觸的兩個物體上，會有摩擦力的產生主要是接觸面不平滑的緣故，而且摩擦力的方向總是和施力方向相反。當仿生獸和人類（其他動物也是）在走路時，腳或鞋底對地面向後施力，此時腳和地面的接觸面會有一摩擦力產生，此摩擦力會產生向前的作用力，因此得以行走、前進。
六、結語
動力藝術總是富含多種生物及物理奧秘，尤其和許多物理原理更是密切相關，我覺得這是一門很深奧的藝術，因為要完完全全、徹徹底底瞭解這門藝術不僅要知道藝術家的創作動機、過程、以及他們想藉由作品表達的內容與情感，還必須要理解其中的生物和物理原理，可謂一門高深的學問。
許多動力藝術品──達文西「拍動的翅膀」和泰奧‧揚森的「仿生獸」只是眾多動力藝術品中的兩個例子──都是效法人類或其他生物的生理構造，才能製造出趨於完美的藝術品，因此，我們可以說：人類及世上所有的生物體本身就是最天然的藝術品，是上帝賦予我們最珍貴的禮物，我們應該好好珍惜與利用。
七、參考書籍
1.認識世界偉大藝術家──具有科學實驗精神的達文西。Mike Venezia著，史珊華、陳懷恩譯。啟思文化事業有限公司出版。
2.圖解達文西機器人──從達文西手稿中發掘前所未見的機械裝置與自動機。馬力歐‧泰迪（Mario Taddei）著，甘錫安譯。世茂出版有限公司。
3.圖解達文西天才發明。多明尼哥‧羅倫佐（Domenico Laurenza）著，羅倩宜、王俞惠譯。世茂出版有限公司。
4.彩色珍藏版達文西的飛行機器。多明尼哥‧羅倫佐（Domenico Laurenza）著，羅倩宜譯。世茂出版有限公司。
5.彩色珍藏版達文西的機械。卡洛‧佩德瑞提（Carlo Pedretti）著，游懿萱譯。世茂出版有限公司。
6.泰奧‧揚森：奇幻仿生獸。圓方創意著，王筱玲總編輯。圓方創意出版。
7.觀念物理I。Paul G. Hewitt著，常雲惠譯。天下遠見出版股份有限公司。
8.觀念物理II。Paul G. Hewitt著，蔡坤憲譯。天下遠見出版股份有限公司。
9.觀念物理III。Paul G. Hewitt著，常雲惠譯。天下遠見出版股份有限公司。
