向大自然學(xué)習(xí)

陸佳怡

大量的仿生成果已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)中

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

如果細(xì)心留意，將會(huì)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(shuō)，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(kāi)發(fā)出的太陽(yáng)能電池；奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館之一的國(guó)家體育場(chǎng)就是模仿鳥(niǎo)巢的結(jié)構(gòu)。

“存在即有道理”，為了生存，自然界生物在億萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)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(lèi)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(duì)外界的識(shí)別、導(dǎo)航、定向計(jì)算等，顯示出許多機(jī)器所不可比擬的優(yōu)越之處。

在科學(xué)界，通過(guò)模仿學(xué)習(xí)自然界的范例來(lái)創(chuàng)造更好的形式、過(guò)程、系統(tǒng)以及策略來(lái)解決人類(lèi)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(guò)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(kāi)始從基礎(chǔ)研究發(fā)展到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)階段。零排放研究與行動(dòng)組織負(fù)責(zé)人岡特·保利認(rèn)為，包括建筑行業(yè)應(yīng)用在內(nèi)的100個(gè)最主要的仿生學(xué)產(chǎn)品，在過(guò)去四年形成了超過(guò)15億美元的市場(chǎng)規(guī)模。

社會(huì)需求：歐盟制定了2050年二氧化碳排放減少50％的目標(biāo)；我國(guó)“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(tái)使得二氧化碳減排技術(shù)在未來(lái)有著巨大的市場(chǎng)需求。

模仿對(duì)象：人類(lèi)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(guò)學(xué)習(xí)人類(lèi)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(guó)Carbozyme公司模擬人類(lèi)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(guó)能源部2007年740萬(wàn)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(huì)需求：“更高、更快、更強(qiáng)”不僅是奧林匹克的口號(hào)，不論是業(yè)余還是專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員都希望能夠提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

模仿對(duì)象：動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)大體可分為游泳、行走、奔跑、跳躍等類(lèi)型。動(dòng)物為了生存發(fā)展了不同的運(yùn)動(dòng)本領(lǐng)，形成了各自?xún)?yōu)化的器官和組織。

比如，鯊魚(yú)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?chē)乃鞲咝У亓鬟^(guò)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速游動(dòng)；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(yú)皮的構(gòu)造用在了LZRRacer泳衣上，游泳運(yùn)動(dòng)員可以把成績(jī)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(diǎn)應(yīng)用到跑鞋設(shè)計(jì)上，以提高鞋的抓地力和防止運(yùn)動(dòng)扭傷。

正在研究的應(yīng)用

社會(huì)需求：心臟病是威脅人類(lèi)生命的最主要疾病之一。預(yù)計(jì)心臟起搏器2010年將達(dá)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(shí)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(duì)象：座頭鯨2000磅的心臟在每分鐘僅跳動(dòng)3～4次的情況下，能夠?qū)⑾喈?dāng)于6浴缸的含氧血液通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)送達(dá)全身。

解決方案：仿座頭鯨心臟起搏器的研究正在進(jìn)行中，科研人員期待最終可以將實(shí)現(xiàn)病人心臟在沒(méi)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(duì)環(huán)境的影響，無(wú)疑將取代傳統(tǒng)的心臟起搏器。

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

模仿對(duì)象：成群的蝗蟲(chóng)不會(huì)相互碰撞是因?yàn)榛认x(chóng)的眼睛進(jìn)化得非常發(fā)達(dá)。它們可以同時(shí)觀看幾個(gè)方向。

解決方案：科學(xué)家在設(shè)計(jì)汽車(chē)傳感器時(shí)模仿了蝗蟲(chóng)的視覺(jué)系統(tǒng)，這種傳感器能偵測(cè)出汽車(chē)周?chē)矬w的運(yùn)動(dòng)，并在即將發(fā)生碰撞時(shí)向駕駛員發(fā)出警報(bào)。

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

社會(huì)需求：由于疫苗的特殊性，一般需要冷藏進(jìn)行保存，但這限制了疫苗的運(yùn)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(duì)象：非洲有一種能復(fù)活的植物，每年旱季這種植物會(huì)干枯死亡，到了雨季又恢復(fù)生機(jī)。這種植物含有多酚，多酚能使植物在脫水時(shí)細(xì)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(dá)到保存疫苗的目的。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域共有141個(gè)方面，其中將近有30個(gè)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(xiàn)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(jī)器人及機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、環(huán)境與污染源監(jiān)測(cè)儀器及自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、新型墻體材料等。

其中，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所在國(guó)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(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平。