撰寫：傅正義 武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任
2000 年悉尼奧運(yùn)會(huì)上，澳大利亞男子游泳選手伊恩 · 索普身著黑色連體泳衣，連奪三金，一戰(zhàn)成名。這次奧運(yùn)會(huì)不僅讓伊恩 · 索普成為澳大利亞最有名的運(yùn)動(dòng)員之一，還讓他的戰(zhàn)袍——鯊魚皮泳衣名震泳壇。
這件泳衣叫做 “快皮”，核心技術(shù)便是是仿造鯊魚皮膚表面制成的超伸展纖維表面，其設(shè)計(jì)也有著仿生學(xué)巧思，比如在接縫處模仿人類的肌腱構(gòu)造。有實(shí)驗(yàn)表明，快皮的纖維可以減少 3% 的水中阻力。此后，在 2007 年鯊魚皮泳衣第三代產(chǎn)品一經(jīng)推出，就在一年內(nèi)協(xié)助世界各國(guó)運(yùn)動(dòng)員先后 21 次打破世界紀(jì)錄。
鯊魚皮三代的材料結(jié)構(gòu)
鯊魚皮泳衣只是仿生學(xué)領(lǐng)域的著名應(yīng)用之一。仿生學(xué)還在很多領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，例如現(xiàn)代飛行器的發(fā)展就遵循了鳥類飛行規(guī)律，它的機(jī)翼曲線模仿了鳥類翅膀的流線型外形，以降低空氣動(dòng)力阻力。還有通過(guò)模仿蝙蝠的超聲波探路系統(tǒng)，是現(xiàn)代飛行器采用的雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)，飛行器表面幫助降低摩空氣擦阻力、減小紫外線照射損害的涂層等等。
受到大自然的啟示，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多偉大的仿生工程，很多與普通人生產(chǎn)生活息息相關(guān)的產(chǎn)品或技術(shù)。這些仿生學(xué)的成功應(yīng)用都是依據(jù)自然對(duì)人類的啟示，設(shè)計(jì)出具有既精巧又復(fù)雜形狀和功能的材料、設(shè)施、產(chǎn)品、技術(shù)等。
仿生材料是近二十多年的研究熱點(diǎn)，包括荷葉的疏水性表面，堅(jiān)硬的貝殼，通過(guò)折射產(chǎn)生不同色彩的蝴蝶翅膀等，研究人員都已經(jīng)成功地在實(shí)驗(yàn)室中學(xué)習(xí)這些功能做了人工材料。簡(jiǎn)言之，通過(guò)研究某種自然的結(jié)構(gòu)和特性制造出的具有性能的微結(jié)構(gòu)材料，就是我們所說(shuō)的仿生材料。
向自然學(xué)習(xí)
其實(shí)這些仿生材料都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們都在自然界中有個(gè)一模一樣的生物制造過(guò)程。研究人員們?cè)谧匀唤缰袑ふ姨貏e有趣的功能，再在實(shí)驗(yàn)室做出來(lái)具有相同特性的人造產(chǎn)品。貝殼的顯微結(jié)構(gòu)就是這樣一個(gè)典型的例子，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里做出的高韌性陶瓷復(fù)合材料跟它非常像的結(jié)構(gòu)，這樣通過(guò)不同形狀、大小、排列方式形成的結(jié)構(gòu)具有非常好的力學(xué)性能，斷裂韌性達(dá)到 30，而普通的陶瓷斷裂韌性只有 5、到 10 左右。
在中國(guó)，科學(xué)家此前做了一個(gè)有意思的研究——蜘蛛絲。一些人可能注意到，下完雨后蜘蛛絲掛的雨滴會(huì)像珍珠項(xiàng)鏈一樣形成 “掛珠”，這是因?yàn)樽匀坏闹┲虢z里有紡錘結(jié)構(gòu)，有連接段，水拉到連接段后很快跑到紡錘，就會(huì)變成像項(xiàng)鏈一樣的掛珠。連接段和紡錘結(jié)構(gòu)不一樣，因此，水在不同地方的狀態(tài)也是不一樣的。
在實(shí)驗(yàn)室里也可以做出這樣的結(jié)構(gòu)，做出一模一樣的人工蜘蛛絲。人工蜘蛛絲放入水中后，也是馬上從連接的部分跑到紡錘部分，形成掛珠形式；這對(duì)水的收集和運(yùn)輸有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。
從復(fù)制自然產(chǎn)物到學(xué)習(xí) “生產(chǎn)過(guò)程”
除了復(fù)制自然界優(yōu)越的結(jié)構(gòu)和材料，我們還可以學(xué)習(xí)自然界創(chuàng)造出這些結(jié)構(gòu)和材料的過(guò)程，以期通過(guò)更簡(jiǎn)單便捷的方式獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。舉個(gè)例子，貝殼、牙齒的生物制造過(guò)程都是在室溫條件下形成，而在人工制造里想燒出相當(dāng)?shù)奶沾尚枰芨叩臏囟取Ｖ袊?guó)古人能夠做出很好的陶瓷，就是因?yàn)槲覀兡軌虻玫胶芨叩臒?jí)溫度，那我們也能在正常溫度下做出類似的貝殼材料嗎？
自然的鬼斧神工就像一個(gè)永不枯竭的靈感源泉，甚至鯊魚的牙齒也能在提升人類生產(chǎn)工藝方面有做貢獻(xiàn)。鯊魚的牙齒跟人的牙齒相比較，顯微結(jié)構(gòu)完全不一樣，生長(zhǎng)機(jī)制也截然不同。人一輩子就換一次牙齒，而鯊魚一排牙齒用十天，另外一排牙齒又長(zhǎng)出來(lái)，一只鯊魚會(huì)有大概十年左右的壽命，期間會(huì)換掉兩萬(wàn)顆左右的牙齒。
換句話說(shuō)，在自然過(guò)程里，鯊魚牙齒的制造過(guò)程跟人牙的生成過(guò)程完全不一樣，原因在哪里？目前就有科學(xué)家正在開展這方面的研究，是因?yàn)樯L(zhǎng)因子的不一樣、生物學(xué)環(huán)境的不一樣？還是鯊魚牙齒的顯微結(jié)構(gòu)相對(duì)更容易搭建等等其他原因？那么人類能不能學(xué)習(xí)鯊魚牙齒的生長(zhǎng)過(guò)程提升制造陶瓷的人工過(guò)程？
關(guān)于鯊魚牙齒的設(shè)想也只是研究方向中的一隅。許多自然界天然的制造過(guò)程都非常具有研究?jī)r(jià)值，可以用來(lái)發(fā)展新的材料合成，節(jié)省能源與原料等生產(chǎn)資源。因此我們提出新的研究領(lǐng)域 Bioprocess inspired synthesis and proceessing（過(guò)程仿生制備），這個(gè)研究領(lǐng)域涉及幾個(gè)很新的工作方面，從天然生物系統(tǒng)的制備過(guò)程里或者生物制造和生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系里找到靈感和思想，我們稱之為 “inspired”，之前講到非常重要的領(lǐng)域是學(xué)習(xí)生物結(jié)構(gòu)和性能與服役性能，更近幾年我們則提出的是學(xué)習(xí)生物制造和生物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
剛才說(shuō)，傳統(tǒng)的陶瓷或者跟陶瓷有關(guān)的合成和制備技術(shù)都需要很高的溫度，而自然界恰恰不要這么高的溫度就能做出來(lái)。那么能否在這種自然過(guò)程的啟發(fā)下，發(fā)展出室溫的陶瓷制備技術(shù)？這是科學(xué)界目前的研究目標(biāo)。由此我們主要開展了幾個(gè)方面的工作，包括生物礦化啟示、光合作用啟示、還有其它生物過(guò)程啟示。
仿生增材制造：牙醫(yī)也能給你換上天然牙齒
研究生物過(guò)程對(duì)于環(huán)境保護(hù)與修復(fù)領(lǐng)域也有重大意義。比如蚯蚓，它可以在很臟的泥土里生存，也就是說(shuō)它不怕重金屬，或者說(shuō)它具有重金屬的 “解毒”能力。這樣的過(guò)程被稱作蚯蚓富集修復(fù)。
蚯蚓在 “解毒”過(guò)程中還能夠產(chǎn)生一種量子點(diǎn)。有位科學(xué)家做了非常有趣的實(shí)驗(yàn)，就是在泥巴里面混入重金屬，讓它吃進(jìn)去。蚯蚓吃進(jìn)重金屬后在它的體內(nèi)發(fā)生一些人類還未可知的反應(yīng)，最后它的排泄物是一種量子點(diǎn)。一般情況下，想要在實(shí)驗(yàn)室要合成量子點(diǎn)也是很困難的事情，但是這么簡(jiǎn)單的天然生物過(guò)程，吃進(jìn)含有重金屬的物質(zhì)，一天后拉出來(lái)的產(chǎn)物里面就有量子點(diǎn)。
所謂的量子點(diǎn)，又稱半導(dǎo)體納米晶體，是準(zhǔn)零維的納米材料。顆粒尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，能展現(xiàn)出許多不同于宏觀材料的光學(xué)性質(zhì)。因此，獨(dú)特的量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)光電領(lǐng)域有特殊的應(yīng)用價(jià)值。2003 年，權(quán)威《Science》雜志將量子點(diǎn)列為當(dāng)年度的十大科技突破之一，2006 年，《Nature》又將量子點(diǎn)評(píng)為最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的四類納米材料之一。
科學(xué)家們研究這些量子點(diǎn)在蚯蚓體內(nèi)的合成機(jī)制，那么我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里也可以采用這種辦法合成量子點(diǎn)，甚至將來(lái)形成成熟的合成制作工藝，量產(chǎn)高質(zhì)量但價(jià)格低廉的量子點(diǎn)材料。
最近我的學(xué)生做了一項(xiàng)工作，在一個(gè)細(xì)胞表面展示蛋白，蛋白指導(dǎo)合成了一個(gè)納米二氧化鈦，運(yùn)行了 5000 次以后基本沒有衰減，這是非常好的電池材料，能保證電極的穩(wěn)定性，這樣漂亮的周期性結(jié)構(gòu)本來(lái)在實(shí)驗(yàn)室里是很難人工制造的，但是通過(guò)學(xué)習(xí)自然界中的一些生物過(guò)程，就可以做出很漂亮的周期結(jié)構(gòu)。
此類研究更進(jìn)一步，就可以聯(lián)系到大家更加熟知的仿生器官模型、仿生導(dǎo)板器械和植入物、仿生組織工程支架以及仿生組織器官等，這些都與生物過(guò)程啟示的增材制造有關(guān)。所謂增材制造就是物質(zhì)慢慢長(zhǎng)大，長(zhǎng)成我們所需要的東西。實(shí)際上自然是最好的增材制造師，自然長(zhǎng)出來(lái)的每一個(gè)貝殼都是長(zhǎng)得一模一樣，在學(xué)界我們把它叫做宏觀增材制造。
科學(xué)家們還提出微觀增材制造，因?yàn)榧幢阄覀冇蔑@微鏡看，自然界產(chǎn)出的物質(zhì)它的微觀結(jié)構(gòu)也是同樣的，也長(zhǎng)得一模一樣；它也是開始沒有，最后長(zhǎng)出一個(gè)東西，也是和之前的都長(zhǎng)的一模一樣，這樣的過(guò)程就被稱作微觀的增材制造。
科學(xué)家觀察了天然的牙釉質(zhì)，之后在實(shí)驗(yàn)室里學(xué)習(xí)天然的牙釉質(zhì)做出人工牙釉質(zhì)，它的性能跟天然牙釉質(zhì)基本相當(dāng)，之后我們可以在實(shí)驗(yàn)室里做出跟天然牙齒一樣的人工牙齒?，F(xiàn)在我們換的都是陶瓷牙齒、樹脂牙齒，未來(lái)也許可以換一個(gè)跟生物牙齒一樣的仿生的天然牙齒。
太陽(yáng)照一照就能獲得特殊材料？
光合作用也是仿生學(xué)的一項(xiàng)重要課題。大家應(yīng)該都了解太陽(yáng)光一照植物就把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成糖和氧氣這樣的一個(gè)過(guò)程，光合作用就是太陽(yáng)一照就出現(xiàn)反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)合成的過(guò)程。研究者們一致提出來(lái)一個(gè)愿景，就是如果太陽(yáng)照在我們?cè)O(shè)定的某一種材料上，能不能合出現(xiàn)同樣的光合作用呢？這依舊是業(yè)內(nèi)一項(xiàng)很遠(yuǎn)期的目標(biāo)。
光合作用有兩個(gè)重要的過(guò)程 -- 光合作用過(guò)程和電子傳輸過(guò)程，利用光系統(tǒng)和光生電子和空穴，能不能做出類似的合成材料呢？未來(lái)我們的預(yù)期，就是通過(guò)研究和學(xué)習(xí)光合作用的原理，研究出太陽(yáng)一照某種物質(zhì)就可以合成所需的材料。
人類的仿生學(xué)嘗試甚至可以追溯至遠(yuǎn)古時(shí)期的生產(chǎn)生活工具，古時(shí)一些工具甚至直到現(xiàn)在也被普遍使用著，像是因由鋒利的鋸齒草啟發(fā)而來(lái)的鋸齒工具，以及模仿動(dòng)物的角、嘴、牙、爪等部分制造的弓箭、長(zhǎng)矛、戈、戟、刀等。
而真正形成 “仿生”概念其實(shí)是在上世紀(jì)六十年代，在短短的幾十年間，仿生學(xué)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域成功應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，仿生學(xué)不但是一門學(xué)科，更是人類對(duì)自然的深刻理解?；蛟S在不久的將來(lái)，上述設(shè)想都能夠得以成功實(shí)踐，我們能夠通過(guò)觀察自然學(xué)習(xí)自然，推動(dòng)人類社會(huì)走出一條更和諧可持續(xù)的發(fā)展道路。
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