向大自然学习

陆佳怡

大量的仿生成果已经从实验室进入到商业化竞争中

“不看不知道，世界真奇妙”，还记得这句在上世纪80年代风靡全国的广告词吗?直到现在，笔者也认为这是对于神奇的大自然，我们能给出的最好评价。

如果细心留意，将会发现日常生活中有很多应用仿生学原理的事例。比如说，自清洁油漆应用了荷叶出淤泥而不染的特性；基于植物光合作用原理开发出的太阳能电池；奥运会主场馆之一的国家体育场就是模仿鸟巢的结构。

“存在即有道理”，为了生存，自然界生物在亿万年的进化过程中的不断优胜劣汰使它们具备了适应内外环境变化的能力，并具有了许多在人类眼中的神奇本领。如生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算等，显示出许多机器所不可比拟的优越之处。

在科学界，通过模仿学习自然界的范例来创造更好的形式、过程、系统以及策略来解决人类的难题，这就是仿生学(biomimicry)。仿生学是连接生物与工程技术的桥梁。通过研究生物的结构、特质、功能等各种优异的特征，得到的研究成果用以改善已有的技术工程设备，创造接近于生物系统的技术系统。

已经商业化的应用

大量的仿生成果已不断涌现，并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。零排放研究与行动组织负责人冈特·保利认为，包括建筑行业应用在内的100个最主要的仿生学产品，在过去四年形成了超过15亿美元的市场规模。

社会需求：欧盟制定了2050年二氧化碳排放减少50％的目标；我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间主要污染物排放总量减少10％。这些相关政策的出台使得二氧化碳减排技术在未来有着巨大的市场需求。

模仿对象：人类的肺能快速有效地从血液系统除去二氧化碳。

解决方案：通过学习人类肺的结构，科研人员获得一种分离二氧化碳新技术的灵感。美国Carbozyme公司模拟人类的肺研制成功了二氧化碳分离和捕获系统，可以减少燃煤电厂烟囱排放90％的二氧化碳。Carbozyme的这一技术获得了美国能源部2007年740万美元的研发赞助，目前已成功应用于燃煤电厂。

领先的二氧化碳减排设备制造商包括：Membrane Technology and Research、Praxair、SRI International、Cansolv和UOP等公司。

社会需求：“更高、更快、更强”不仅是奥林匹克的口号，不论是业余还是专业运动员都希望能够提高运动成绩。

模仿对象：动物的运动大体可分为游泳、行走、奔跑、跳跃等类型。动物为了生存发展了不同的运动本领，形成了各自优化的器官和组织。

比如，鲨鱼皮表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过进而实现快速游动；山羊蹄子具有良好的抓地力，提高奔跑速度。

解决方案：Speedo公司把鲨鱼皮的构造用在了LZRRacer泳衣上，游泳运动员可以把成绩提高至关重要的几秒。耐克公司把山羊蹄子和猴爪的特点应用到跑鞋设计上，以提高鞋的抓地力和防止运动扭伤。

正在研究的应用

社会需求：心脏病是威胁人类生命的最主要疾病之一。预计心脏起搏器2010年将达到全球37亿美元的规模。传统的心脏起搏器使用电池供电，如果突然断电，将危及病人生命，同时电池的更换也不符合环保要求，人们需要更安全可靠的心脏起搏器。

模仿对象：座头鲸2000磅的心脏在每分钟仅跳动3～4次的情况下，能够将相当于6浴缸的含氧血液通过循环系统送达全身。

解决方案：仿座头鲸心脏起搏器的研究正在进行中，科研人员期待最终可以将实现病人心脏在没有电池帮助的情况下工作，并且将使心脏起搏器成本降低到只有几美分。更重要的是避免了更换电池，减少了对环境的影响，无疑将取代传统的心脏起搏器。

社会需求：出于安全的考虑，人们总是希望汽车制造商能够开发出更安全的汽车防撞系统。

模仿对象：成群的蝗虫不会相互碰撞是因为蝗虫的眼睛进化得非常发达。它们可以同时观看几个方向。

解决方案：科学家在设计汽车传感器时模仿了蝗虫的视觉系统，这种传感器能侦测出汽车周围物体的运动，并在即将发生碰撞时向驾驶员发出警报。

目前，沃尔沃公司正通过研究蝗虫的飞行规则试图研发出未来汽车的安全技术。

社会需求：由于疫苗的特殊性，一般需要冷藏进行保存，但这限制了疫苗的运输和保存，医疗人员希望找到一种不必冷藏就能保存疫苗的方法。

模仿对象：非洲有一种能复活的植物，每年旱季这种植物会干枯死亡，到了雨季又恢复生机。这种植物含有多酚，多酚能使植物在脱水时细胞膜不受到损伤。

解决方案：根据植物复活的原理，科研人员正在研究用糖浆包裹疫苗。然后抽取疫苗的水分。达到保存疫苗的目的。

国内发展现状

我国当前优先发展的高技术产业化重点领域共有141个方面，其中将近有30个领域与仿生学相关。例如：光传输系统、生物医学材料及体内植入物和人造器官、生物反应器及分离技术与成套设备、医药新剂型、新型医用精密诊断及治疗仪器、新型材料一纳米材料、膜工程技术、子午线轮胎生产技术及关键设备和原材料、新型传感器、工业机器人及机器人自动化生产线、环境与污染源监测仪器及自动监测系统、新型墙体材料等。

其中，中国科学院生物物理研究所、中国科学院化学研究所、中国科学院动物研究所在国内仿生学领域处于领先地位，在不少领域已经进入国际先进水平。