向大自然學(xué)習(xí)

陸佳怡

大量的仿生成果已經(jīng)從實驗室進入到商業(yè)化競爭中

“不看不知道，世界真奇妙”，還記得這句在上世紀80年代風(fēng)靡全國的廣告詞嗎?直到現(xiàn)在，筆者也認為這是對于神奇的大自然，我們能給出的最好評價。

如果細心留意，將會發(fā)現(xiàn)日常生活中有很多應(yīng)用仿生學(xué)原理的事例。比如說，自清潔油漆應(yīng)用了荷葉出淤泥而不染的特性；基于植物光合作用原理開發(fā)出的太陽能電池；奧運會主場館之一的國家體育場就是模仿鳥巢的結(jié)構(gòu)。

“存在即有道理”，為了生存，自然界生物在億萬年的進化過程中的不斷優(yōu)勝劣汰使它們具備了適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力，并具有了許多在人類眼中的神奇本領(lǐng)。如生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞、對外界的識別、導(dǎo)航、定向計算等，顯示出許多機器所不可比擬的優(yōu)越之處。

在科學(xué)界，通過模仿學(xué)習(xí)自然界的范例來創(chuàng)造更好的形式、過程、系統(tǒng)以及策略來解決人類的難題，這就是仿生學(xué)(biomimicry)。仿生學(xué)是連接生物與工程技術(shù)的橋梁。通過研究生物的結(jié)構(gòu)、特質(zhì)、功能等各種優(yōu)異的特征，得到的研究成果用以改善已有的技術(shù)工程設(shè)備，創(chuàng)造接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)。

已經(jīng)商業(yè)化的應(yīng)用

大量的仿生成果已不斷涌現(xiàn)，并開始從基礎(chǔ)研究發(fā)展到商業(yè)化競爭階段。零排放研究與行動組織負責(zé)人岡特·保利認為，包括建筑行業(yè)應(yīng)用在內(nèi)的100個最主要的仿生學(xué)產(chǎn)品，在過去四年形成了超過15億美元的市場規(guī)模。

社會需求：歐盟制定了2050年二氧化碳排放減少50％的目標；我國“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間主要污染物排放總量減少10％。這些相關(guān)政策的出臺使得二氧化碳減排技術(shù)在未來有著巨大的市場需求。

模仿對象：人類的肺能快速有效地從血液系統(tǒng)除去二氧化碳。

解決方案：通過學(xué)習(xí)人類肺的結(jié)構(gòu)，科研人員獲得一種分離二氧化碳新技術(shù)的靈感。美國Carbozyme公司模擬人類的肺研制成功了二氧化碳分離和捕獲系統(tǒng)，可以減少燃煤電廠煙囪排放90％的二氧化碳。Carbozyme的這一技術(shù)獲得了美國能源部2007年740萬美元的研發(fā)贊助，目前已成功應(yīng)用于燃煤電廠。

領(lǐng)先的二氧化碳減排設(shè)備制造商包括：Membrane Technology and Research、Praxair、SRI International、Cansolv和UOP等公司。

社會需求：“更高、更快、更強”不僅是奧林匹克的口號，不論是業(yè)余還是專業(yè)運動員都希望能夠提高運動成績。

模仿對象：動物的運動大體可分為游泳、行走、奔跑、跳躍等類型。動物為了生存發(fā)展了不同的運動本領(lǐng)，形成了各自優(yōu)化的器官和組織。

比如，鯊魚皮表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過進而實現(xiàn)快速游動；山羊蹄子具有良好的抓地力，提高奔跑速度。

解決方案：Speedo公司把鯊魚皮的構(gòu)造用在了LZRRacer泳衣上，游泳運動員可以把成績提高至關(guān)重要的幾秒。耐克公司把山羊蹄子和猴爪的特點應(yīng)用到跑鞋設(shè)計上，以提高鞋的抓地力和防止運動扭傷。

正在研究的應(yīng)用

社會需求：心臟病是威脅人類生命的最主要疾病之一。預(yù)計心臟起搏器2010年將達到全球37億美元的規(guī)模。傳統(tǒng)的心臟起搏器使用電池供電，如果突然斷電，將危及病人生命，同時電池的更換也不符合環(huán)保要求，人們需要更安全可靠的心臟起搏器。

模仿對象：座頭鯨2000磅的心臟在每分鐘僅跳動3～4次的情況下，能夠?qū)⑾喈?dāng)于6浴缸的含氧血液通過循環(huán)系統(tǒng)送達全身。

解決方案：仿座頭鯨心臟起搏器的研究正在進行中，科研人員期待最終可以將實現(xiàn)病人心臟在沒有電池幫助的情況下工作，并且將使心臟起搏器成本降低到只有幾美分。更重要的是避免了更換電池，減少了對環(huán)境的影響，無疑將取代傳統(tǒng)的心臟起搏器。

社會需求：出于安全的考慮，人們總是希望汽車制造商能夠開發(fā)出更安全的汽車防撞系統(tǒng)。

模仿對象：成群的蝗蟲不會相互碰撞是因為蝗蟲的眼睛進化得非常發(fā)達。它們可以同時觀看幾個方向。

解決方案：科學(xué)家在設(shè)計汽車傳感器時模仿了蝗蟲的視覺系統(tǒng)，這種傳感器能偵測出汽車周圍物體的運動，并在即將發(fā)生碰撞時向駕駛員發(fā)出警報。

目前，沃爾沃公司正通過研究蝗蟲的飛行規(guī)則試圖研發(fā)出未來汽車的安全技術(shù)。

社會需求：由于疫苗的特殊性，一般需要冷藏進行保存，但這限制了疫苗的運輸和保存，醫(yī)療人員希望找到一種不必冷藏就能保存疫苗的方法。

模仿對象：非洲有一種能復(fù)活的植物，每年旱季這種植物會干枯死亡，到了雨季又恢復(fù)生機。這種植物含有多酚，多酚能使植物在脫水時細胞膜不受到損傷。

解決方案：根據(jù)植物復(fù)活的原理，科研人員正在研究用糖漿包裹疫苗。然后抽取疫苗的水分。達到保存疫苗的目的。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域共有141個方面，其中將近有30個領(lǐng)域與仿生學(xué)相關(guān)。例如：光傳輸系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)材料及體內(nèi)植入物和人造器官、生物反應(yīng)器及分離技術(shù)與成套設(shè)備、醫(yī)藥新劑型、新型醫(yī)用精密診斷及治療儀器、新型材料一納米材料、膜工程技術(shù)、子午線輪胎生產(chǎn)技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備和原材料、新型傳感器、工業(yè)機器人及機器人自動化生產(chǎn)線、環(huán)境與污染源監(jiān)測儀器及自動監(jiān)測系統(tǒng)、新型墻體材料等。

其中，中國科學(xué)院生物物理研究所、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、中國科學(xué)院動物研究所在國內(nèi)仿生學(xué)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在不少領(lǐng)域已經(jīng)進入國際先進水平。