大自然的启示:仿生学可以走多远

2020/12/8 9:55:48 来源:新浪科技 作者:科学大家 责编:骑士

撰写:傅正义 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室主任

2000 年悉尼奥运会上,澳大利亚男子游泳选手伊恩 · 索普身着黑色连体泳衣,连夺三金,一战成名。这次奥运会不仅让伊恩 · 索普成为澳大利亚最有名的运动员之一,还让他的战袍——鲨鱼皮泳衣名震泳坛。

这件泳衣叫做 “快皮”,核心技术便是是仿造鲨鱼皮肤表面制成的超伸展纤维表面,其设计也有着仿生学巧思,比如在接缝处模仿人类的肌腱构造。有实验表明,快皮的纤维可以减少 3% 的水中阻力。此后,在 2007 年鲨鱼皮泳衣第三代产品一经推出,就在一年内协助世界各国运动员先后 21 次打破世界纪录。

鲨鱼皮三代的材料结构

鲨鱼皮泳衣只是仿生学领域的著名应用之一。仿生学还在很多领域发挥着巨大作用,例如现代飞行器的发展就遵循了鸟类飞行规律,它的机翼曲线模仿了鸟类翅膀的流线型外形,以降低空气动力阻力。还有通过模仿蝙蝠的超声波探路系统,是现代飞行器采用的雷达导航系统,飞行器表面帮助降低摩空气擦阻力、减小紫外线照射损害的涂层等等。

受到大自然的启示,人类已经实现了许多伟大的仿生工程,很多与普通人生产生活息息相关的产品或技术。这些仿生学的成功应用都是依据自然对人类的启示,设计出具有既精巧又复杂形状和功能的材料、设施、产品、技术等。

仿生材料是近二十多年的研究热点,包括荷叶的疏水性表面,坚硬的贝壳,通过折射产生不同色彩的蝴蝶翅膀等,研究人员都已经成功地在实验室中学习这些功能做了人工材料。简言之,通过研究某种自然的结构和特性制造出的具有性能的微结构材料,就是我们所说的仿生材料。

向自然学习

其实这些仿生材料都有一个共同点,那就是它们都在自然界中有个一模一样的生物制造过程。研究人员们在自然界中寻找特别有趣的功能,再在实验室做出来具有相同特性的人造产品。贝壳的显微结构就是这样一个典型的例子,科学家在实验室里做出的高韧性陶瓷复合材料跟它非常像的结构,这样通过不同形状、大小、排列方式形成的结构具有非常好的力学性能,断裂韧性达到 30,而普通的陶瓷断裂韧性只有 5、到 10 左右。

在中国,科学家此前做了一个有意思的研究——蜘蛛丝。一些人可能注意到,下完雨后蜘蛛丝挂的雨滴会像珍珠项链一样形成 “挂珠”,这是因为自然的蜘蛛丝里有纺锤结构,有连接段,水拉到连接段后很快跑到纺锤,就会变成像项链一样的挂珠。连接段和纺锤结构不一样,因此,水在不同地方的状态也是不一样的。

在实验室里也可以做出这样的结构,做出一模一样的人工蜘蛛丝。人工蜘蛛丝放入水中后,也是马上从连接的部分跑到纺锤部分,形成挂珠形式;这对水的收集和运输有非常重要的应用价值。

从复制自然产物到学习 “生产过程”

除了复制自然界优越的结构和材料,我们还可以学习自然界创造出这些结构和材料的过程,以期通过更简单便捷的方式获得优质产品。举个例子,贝壳、牙齿的生物制造过程都是在室温条件下形成,而在人工制造里想烧出相当的陶瓷需要很高的温度。中国古人能够做出很好的陶瓷,就是因为我们能够得到很高的烧级温度,那我们也能在正常温度下做出类似的贝壳材料吗?

自然的鬼斧神工就像一个永不枯竭的灵感源泉,甚至鲨鱼的牙齿也能在提升人类生产工艺方面有做贡献。鲨鱼的牙齿跟人的牙齿相比较,显微结构完全不一样,生长机制也截然不同。人一辈子就换一次牙齿,而鲨鱼一排牙齿用十天,另外一排牙齿又长出来,一只鲨鱼会有大概十年左右的寿命,期间会换掉两万颗左右的牙齿。

换句话说,在自然过程里,鲨鱼牙齿的制造过程跟人牙的生成过程完全不一样,原因在哪里?目前就有科学家正在开展这方面的研究,是因为生长因子的不一样、生物学环境的不一样?还是鲨鱼牙齿的显微结构相对更容易搭建等等其他原因?那么人类能不能学习鲨鱼牙齿的生长过程提升制造陶瓷的人工过程?

关于鲨鱼牙齿的设想也只是研究方向中的一隅。许多自然界天然的制造过程都非常具有研究价值,可以用来发展新的材料合成,节省能源与原料等生产资源。因此我们提出新的研究领域 Bioprocess inspired synthesis and proceessing(过程仿生制备),这个研究领域涉及几个很新的工作方面,从天然生物系统的制备过程里或者生物制造和生物结构的关系里找到灵感和思想,我们称之为 “inspired”,之前讲到非常重要的领域是学习生物结构和性能与服役性能,更近几年我们则提出的是学习生物制造和生物结构之间的关系。

刚才说,传统的陶瓷或者跟陶瓷有关的合成和制备技术都需要很高的温度,而自然界恰恰不要这么高的温度就能做出来。那么能否在这种自然过程的启发下,发展出室温的陶瓷制备技术?这是科学界目前的研究目标。由此我们主要开展了几个方面的工作,包括生物矿化启示、光合作用启示、还有其它生物过程启示。

仿生增材制造:牙医也能给你换上天然牙齿

研究生物过程对于环境保护与修复领域也有重大意义。比如蚯蚓,它可以在很脏的泥土里生存,也就是说它不怕重金属,或者说它具有重金属的 “解毒”能力。这样的过程被称作蚯蚓富集修复。

蚯蚓在 “解毒”过程中还能够产生一种量子点。有位科学家做了非常有趣的实验,就是在泥巴里面混入重金属,让它吃进去。蚯蚓吃进重金属后在它的体内发生一些人类还未可知的反应,最后它的排泄物是一种量子点。一般情况下,想要在实验室要合成量子点也是很困难的事情,但是这么简单的天然生物过程,吃进含有重金属的物质,一天后拉出来的产物里面就有量子点。

所谓的量子点,又称半导体纳米晶体,是准零维的纳米材料。颗粒尺寸进入纳米量级时,能展现出许多不同于宏观材料的光学性质。因此,独特的量子点在生物医学光电领域有特殊的应用价值。2003 年,权威《Science》杂志将量子点列为当年度的十大科技突破之一,2006 年,《Nature》又将量子点评为最有可能实现大规模应用的四类纳米材料之一。

科学家们研究这些量子点在蚯蚓体内的合成机制,那么我们在实验室里也可以采用这种办法合成量子点,甚至将来形成成熟的合成制作工艺,量产高质量但价格低廉的量子点材料。

最近我的学生做了一项工作,在一个细胞表面展示蛋白,蛋白指导合成了一个纳米二氧化钛,运行了 5000 次以后基本没有衰减,这是非常好的电池材料,能保证电极的稳定性,这样漂亮的周期性结构本来在实验室里是很难人工制造的,但是通过学习自然界中的一些生物过程,就可以做出很漂亮的周期结构。

此类研究更进一步,就可以联系到大家更加熟知的仿生器官模型、仿生导板器械和植入物、仿生组织工程支架以及仿生组织器官等,这些都与生物过程启示的增材制造有关。所谓增材制造就是物质慢慢长大,长成我们所需要的东西。实际上自然是最好的增材制造师,自然长出来的每一个贝壳都是长得一模一样,在学界我们把它叫做宏观增材制造。

科学家们还提出微观增材制造,因为即便我们用显微镜看,自然界产出的物质它的微观结构也是同样的,也长得一模一样;它也是开始没有,最后长出一个东西,也是和之前的都长的一模一样,这样的过程就被称作微观的增材制造。

科学家观察了天然的牙釉质,之后在实验室里学习天然的牙釉质做出人工牙釉质,它的性能跟天然牙釉质基本相当,之后我们可以在实验室里做出跟天然牙齿一样的人工牙齿。现在我们换的都是陶瓷牙齿、树脂牙齿,未来也许可以换一个跟生物牙齿一样的仿生的天然牙齿。

太阳照一照就能获得特殊材料?

光合作用也是仿生学的一项重要课题。大家应该都了解太阳光一照植物就把二氧化碳和水转化成糖和氧气这样的一个过程,光合作用就是太阳一照就出现反应,产生一个合成的过程。研究者们一致提出来一个愿景,就是如果太阳照在我们设定的某一种材料上,能不能合出现同样的光合作用呢?这依旧是业内一项很远期的目标。

光合作用有两个重要的过程 -- 光合作用过程和电子传输过程,利用光系统和光生电子和空穴,能不能做出类似的合成材料呢?未来我们的预期,就是通过研究和学习光合作用的原理,研究出太阳一照某种物质就可以合成所需的材料。

人类的仿生学尝试甚至可以追溯至远古时期的生产生活工具,古时一些工具甚至直到现在也被普遍使用着,像是因由锋利的锯齿草启发而来的锯齿工具,以及模仿动物的角、嘴、牙、爪等部分制造的弓箭、长矛、戈、戟、刀等。

而真正形成 “仿生”概念其实是在上世纪六十年代,在短短的几十年间,仿生学已经在诸多领域成功应用。可以说,仿生学不但是一门学科,更是人类对自然的深刻理解。或许在不久的将来,上述设想都能够得以成功实践,我们能够通过观察自然学习自然,推动人类社会走出一条更和谐可持续的发展道路。

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关键词:仿生学鲨鱼皮

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