潛力無窮的仿生發明法

勞永新

仿生是模仿生物的簡稱，仿生發明法就是模仿生物的形態、材料、結構和功能的發明方法。

20世紀50年代，科學家已經認識到生物系統是開辟和發明新技術的途徑和源泉之一。1960年9月召開了美國第一次仿生學會議。斯梯爾為新的仿生科學命名為仿生學，宣告仿生學的正式誕生。至今仿生學已包括力學仿生、分子仿生、化學仿生、能量仿生、信息與控制仿生、宇宙仿生、電子仿生、機械仿生、建筑仿生、醫學仿生、軍事仿生、經濟仿生等內容。仿生的范圍十分廣泛，下面僅就形態、材質、結構和功能的仿生，分別舉一些實例加以說明。

建筑仿生

蜂巢由許多排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，具有最小面積和最大容量的特點，建房所需的材料最少，而且極堅固。人們仿其結構制成蜂巢式夾層板，強度大、重量輕、不易傳導聲和熱，是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。非氣動蜂窩結構的輪胎利用蜂窩的多六邊形結構互相支撐，達到降低震動、提高車輪強度的作用。由于它并不是充氣輪胎，可以避免輪胎爆胎，在噪音抑制和輪胎摩擦發熱量上也比普通輪胎更為優越。蛋殼能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個部分。建筑師根據這種“薄殼結構”的特點，設計出許多既輕便又省料的仿生建筑物。上海東方音樂廳和臺灣桃園北區體育場的屋頂就是蛋形薄殼結構。而國家大劇院的造型頗似“覆蓋在水中的銀白色蛋殼”，具有最大跨度達212米的圓形穹頂。北京火車站大廳屋頂所采用的薄殼拱形結構，屋頂雖薄，卻很耐壓，經得起風雨和積雪的“考驗”；不僅外形美觀，而且節約了人力、物力。澳大利亞悉尼歌劇院的屋頂也是薄殼結構，而造型既像豎立著的貝殼，又像兩艘巨型白色帆船。屋頂是薄殼結構的還有北京農展館、廣州新體育館、意大利羅馬小體育館和巴黎工業展覽中心等。

分子仿生

蜘蛛絲的強度超過所有其他天然纖維，與強度最高的碳纖維及凱夫拉纖維等相接近，但其韌性明顯優于上述纖維。科學家已通過克隆蜘蛛絲的基因或將蜘蛛的基因轉移到山羊或蠶的DNA上，從而提取人造蜘蛛絲，它將在醫藥、工程、體育、軍事等領域大顯身手。如可用作制造堅固而輕便的護甲、更細的光纖、更加堅韌的手術線、人造腱、人造韌帶以及各種新型運動護具等。荷葉“出淤泥而不染”，不沾污泥和水。人們研制出的人工仿生荷葉，是一種人造高分子薄膜，不沾水又不沾油，可用作自清潔西裝和羽絨服等面料。鯊魚在水中的高游速，得益于它的皮膚可以減少水的阻力。仿鯊魚皮泳衣，具有極輕、低阻、防水和快干的特性。在最近三屆奧運會的游泳比賽中，有許多泳將穿著它打破了紀錄。

醫學仿生

人的牙齒非常堅固，但患牙病或因外傷牙齒缺失后需裝塑料或金屬材質的人工牙。人工種植牙是將與人體骨質兼容性高的純鈦金屬牙植入缺牙區的牙槽骨內，可承受正常的咀嚼力量，功能和美觀上幾乎和自然牙一樣。人工活體骨就是用自然界或者是人工合成的生物材料制備成的“支架”和人工提取的活的骨細胞結合，植入人體內骨缺損部位。如用具有天然骨的多孔結構的人工合成的納米羥基磷灰石和膠原的復合材料，植入后經過幾個月就可被人體完全吸收，修復后的骨頭和人體骨完全一樣，而且整個過程沒有任何排異反應。仿生人則是通過用接近于人體質地的仿生材料來制造出人體各部分器官，從而造出非常接近真人的仿生人，再加傳感器，用作模型代替真人去承受真人無法承受的環境。如將仿生人放置在汽車中進行撞碰實驗，在汽車被撞擊翻滾的情況下，測試駕駛員和乘客的生命安全參數。

模仿生物特殊功能的發明也相當多。例如根據青蛙眼睛的特殊構造研制的電子蛙眼，可用于監視飛機的起落和跟蹤人造衛星。蒼蠅的楫翅(即平衡棒)是“天然導航儀”，人們模仿它制成了“振動陀螺儀”，目前已經應用在火箭和高速飛機上，以實現自動駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復眼”，由3000多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。一次就能照出千百張相同的相片，這種照相機已經用于印刷制版。通過對螢火蟲和海蠅的發光原理的研究，獲得了化學能轉化為光能的方法，從而研制出熒光燈。19世紀初，意大利物理學家伏特，以電魚的發電器官為模型，設計出世界上最早的伏打電池。仿照水母耳朵的結構和功能，設計的水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。它能提前15小時對風暴作出預報，以保證航海和漁船的安全。根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿制成一種奇特的小型氣體分析儀，已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。根據象鼻蟲視動反應制成的“自相關測速儀”可測定飛機著陸速度。響尾蛇的視力幾乎為零，但其鼻子上的頰窩器官具有熱定位功能，對0.001攝氏度的溫差都能感覺出來，且反應時間不超過0.1秒。根據響尾蛇這一奇特功能，研制出了夜視儀、空對空響尾蛇導彈以及仿生紅外探測器。蝙蝠是靠自身發_出的超聲波來引導飛行的，科學家通過模仿蝙蝠按照目標情況隨時調整脈沖參數和調整方向的探測方法，提高了雷達的靈敏度和抗干擾能力。還通過模仿蝙蝠回聲定位功能原理，仿制出用于軍事的聲納眼鏡及盲人用的“探路儀”。模仿蜜蜂偏振光定向本領，研制出偏振定向器用于飛機、艦船。

仿生技術的應用大大推動了科技的進步和人類的發展。仿生技術用于醫療推動了人工和仿生器官技術的發展。人類開始是采用機械和電子的方法模擬出人工器官，如人工心臟起搏器；可以排出二氧化碳、吸進氧氣的人工肺；從血液透析演變為血液凈化的人工腎等；植入替代人耳功能的電子人工耳蝸，可使患有重度或極重度耳聾的人的聽力接近正常：人造視網膜系統用攝像機記錄下基本的視覺信息，并將它加工成電信號，通過無線傳輸到內置的電極上，讓盲人恢復其視網膜功能，從而產生模糊的視力。仿生手可以依靠人腦思維來控制，并讓假肢有觸覺；智能仿生腿是由微處理器控制關節活動的高科技假腿。用燒傷患者自身的骨髓細胞培育成皮膚組織，并已用于臨床移植；現在用造血干細胞的移植來治療白血病的療效較好。而肝干細胞移植治療肝臟疾病和干細胞移植治療腦癱等正在努力改善中。最理想的仿生組織和器官是根據生物由干細胞的分化而自生長出來或自愈。胚胎干細胞是指當受精卵分裂發育成囊胚時內細胞團的細胞，它具有可體外培養、無限增殖、自我更新和多向分化的特性。它是一種高度未分化細胞，具有發育的全能性，能分化出動物的所有組織和器官。所以可以避免不同個體間的移植排斥，是仿生醫學的希望所在。

仿生學的誕生才37年，目前的仿生技術只模仿了生物特殊功能中的極小部分，而且有的還處于初步階段，如模仿魚腮的提取空氣、供人在水下活動時呼吸用的人工腮還不夠理想。仿生自組裝更只揭開了冰山一角。能創造巨大價值的模仿植物固氮和光合作用等都尚未取得成功。因此，仿生技術的發展潛力無窮。