美國林產試驗所的全壘打

文 / 人禾環境倫理發展基金會

棒球場上的噩夢──碎裂球棒波及觀眾與球員（圖源：www.woodbat.org）

        在球棒設計製程上一個小小的更動，就可以減少對林木過度的需求、保護運動員與觀眾的健康，並為其他木製品的應用效率帶來極佳的啟發！以下就來為大家概略介紹一下森林經營單位中，最有價值球員之一 ──美國林產試驗所（Forest Products Laboratory, FPL），以及他到底對球棒做了什麼好事。

        林產試驗所是美國聯邦農業部林務署下的研究實驗單位，在試驗所底下又有7個研究工作小組、3個實驗室，以及許多測試研究工廠。

麥高維‧克萊（McGarvey Cline）

（圖源：foresthistory）

        在1907年的時候，木材利用處（Office of Wood Utilization）處長麥高維（McGarvey Cline）認為，為了改善不同區域研究中心的合作關係，有必要創設一個中央研究室，所以他就跑去與林務署署長吉佛（Gifford Pinchot）商量，最後選擇了威斯康辛州大學當作實驗室地點。於是在1910年，林產試驗所誕生了，它的核心目標是讓森林更健康，還有透過木材資源永續與使用效率的提升，來發展森林經濟。



讓利用更永續～林試所做了哪些好事？


　　美國林產試驗所有五個主要的任務，分別是：（1）對閒置木質生物能的研發與利用、（2）奈米技術應用於木製品生產、（3）森林生物質的煉製與利用、（4）考量生命週期及環境影響的木結構研究、（5）進階複合製品的研發與改良。

供極限運動用的軌構物（圖源：mtb-news）

鄉野式建築外觀之一種（圖源：Trendir）

鄉野式建築內部裝潢之一種（圖源：rejigdesign）

（1） 閒置木質生物能（underutilized woody biomass）的研發、利用：

　　在美國，長達數十年的林火撲滅政策阻斷了林火的自然週期，每當森林火災發生的時候，消防員必須在最快時間趕到把火撲滅，結果導致約84億噸乾柴囤積在林地。所以在美國的森林中，有著許許多多的小直徑樹木與未利用的木質生物能。

　　當這些木質物長期累積下來，卻沒有林火適當地清理林床的空間，長期累積的薪柴可能會隨著病蟲害或乾旱，帶給森林一發不可收拾的災難。所以適當地修剪這些林分、利用這些木質物，不僅活絡森林產物的適切利用，對森林的健康也有好處。

　　1993年開始，除了研究這些木質物的潛在用途，林試所也提供技術，協助鄉村社區運用生態系管理（ecological management）的方式經營森林，並從中得到森林副產品、發展在地經濟。除此之外，林試所也探索如何將這些小直徑木材做成橋樑、步道（boardwalks）、軌構物（trail structures）、露營地（picnic shelter）、儲藏間，或是其他的鄉野式建築（rustic-type buildings）。


（2） 奈米技術（Nanotechnology）：

　　奈米技術對木製品的表現與使用性能的影響有非常大的潛力。舉例來說，林產試驗所有一種可以在木質表層塗上抗菌、防水材料的技術，能用在容易淹水或颶風頻仍的地方，保護人們的健康與安全，提升木製品的韌性。


（3） 森林生物質的煉製（Biorefinery）與利用：

　　利用森林中的木質物，將之轉換成液體燃料與化學原料，相當有成本效益。此外，比起使用化石燃料，這種木質液態燃料只是將原本透過光合作用捕捉下來的二氧化碳，重新釋放到大氣中，在森林的持續經營下可維持一進一出的平衡，並不會排放額外溫室氣體，因而能達到碳中和（greenhouse gas neutral）。


（4） 考量生命週期及環境影響的的木結構研究（Advanced Structure Research） ：

　　在過去，建築結構研究主要是著眼於使用年限與安全的問題，現在的建築結構設計，則包括了功能性、環境影響評估，以及經濟等一系列的思考，而林試所也會針對這些課題做研究。


（5） 進階複合製品（Advanced Composites）：

　　建築與傢俱的主材料─木拼板製品（各種板材）向來能創造亮眼的利潤。近年用天然纖維製成的生質組合式產品（biobased composite products），以及像是「木料─塑膠」的複合材料製品，都一一問世。包括奈米技術在內的新複合技術，也都賦予各種小體積產品更高的附加價值。

令追求質感的仕紳階級興奮不已的木質複合智慧型手機

（圖源：www.inhabitat.com）

        這些新技術為各種木質或生質纖維原料帶來巨大發展潛力，也使人們對木料的利用更有效率，因而降低環境的損耗。各種原料包涵了小直徑木材、工農業剩餘或廢棄物料、外來入侵種，以及可拆解與可回收的物質，這些物質當然也包括了林火抑制思維下在森林留下的大量的木質物。重新利用這些過去常常造成負面問題的原料，林試所為複合製品交出漂亮的成績。



小球棒大學問──林試所的全壘打


　　介紹完林試所的基本工作之後，讓我們回到標題，看看美國這個職棒強國，木材製程的改良可以有甚麼具體應用。在美國，有長達100年之久，棒球比賽普遍用的是梣木棒（ash bats）。在1990年晚期的時候，球棒製造商開始使用生長範圍遍布美國中西部與東北部的硬質糖楓（sugar maple）來製作球棒。

　　為什麼會開始使用楓木製作球棒呢？這是因為梣木、楓木氣孔的分布不同。白梣木（white ash）是環孔材（ring-porous），氣孔集中於早材（春天木材生長的部分），其他樹種如紅橡、白橡、榆樹（elm），都是環孔材；另外，糖楓（sugar maple）、黃樺木（yellow birch）與椴木（basswood）是散孔材（diffuse-porous），氣孔平均地散生於年輪上。

環孔材（圖源：www.lencoheaven.net）

散孔材（圖源：www.ulaval.ca）

                   
　　早期所使用的梣木棒，由於球棒的擊出面與年輪平行，在持續打擊的狀況下，早材與晚材之間的氣孔會脆化、剝落，使年輪剝離，球棒很快就會毀損，於是製造商開始轉而使用楓木棒，避免球棒剝離的問題。

梣木棒年輪剝離的狀況（圖源：www.woodbat.org）

　　然而，在轉為使用楓木球棒之後，卻時常傳出球棒以另一種難以預期的方式碎裂、飛出球場，波及球員、教練、裁判與觀眾，因此造成了不少損失。

　　在這樣的情況下，2008年開始大聯盟著手處理頻繁發生的球棒破碎問題，他們提供資金，並由林產品試驗所進行技術研發。林試所的專家檢視了從2008年7月到9月球季之間每一支大聯盟破碎的球棒。他們分析了這數千支損耗的球棒，然後變更製程，降低了楓木球棒破碎率達50％之譜。結果，儘管現在楓木球棒的生產數量比以往還多，發生球棒破碎的事故卻越來越少。

　　研究團隊發現，不管你用的是哪環孔材還是散孔材，造成木質不連貫的「木紋斜度」，是球棒破裂的主因。善選弦面紋理（flat grain）或豎直紋理（edge grain），對不同木頭材質球棒的表現也會有不同狀況的改善。

木紋斜度，較平直的縱向木紋，意味著球棒碎裂的可能性較低。

（圖源：“ANC–18 Design of wood aircraft structures” Chapter 4）

弦面紋理（Flat grain） v.s. 豎直紋理（Edge grain）
（圖源：www.woodbat.org）

　　製造大聯盟每一季的球棒須消耗4萬棵樹，光路易斯維爾（Louisville Slugger）（美國知名球棒製造廠商）一家，一年就會製造160萬根木製球棒。對木紋斜度進行改善，林試所改善了球棒的品質、讓球場變得更安全。

　　林試所這記響亮的全壘打，是由許多努力與合作所累積起來的。也多虧了這些大有學問在的技術研發工作，觀眾可以更安心地坐在觀眾席上看球、大聯盟與各球隊省下許多成本，棒球明星也得以減少生命上的威脅，繼續在球場上發光發熱。





參考資料：

(1) “Review of 2009 MLB Baseball Bat Regulations, i.e. What to expect from the bat manufacturers?”, Roland Hermandez

(2) “MLB and Forest Service Team Up to Reduce Frequency of Shattered Bats”

(3) http://en.wikipedia.org/wiki/Forest_Products_Laboratory