出品：新浪科技《科學大家》、中關村論壇
撰寫：傅正義 武漢理工大學材料複合新技術國家重點實驗室主任
2000年悉尼奧運會上，澳大利亞男子游泳選手伊恩·索普身著黑色連體泳衣，連奪三金，一戰成名。這次奧運會不僅讓伊恩·索普成為澳大利亞最有名的運動員之一，還讓他的戰袍——鯊魚皮泳衣名震泳壇。
這件泳衣叫做“快皮”，核心急速便是是仿造鯊魚面板表面製成的超伸展纖維表面，其設計也有著仿生學巧思，比如在接縫處模仿人類的肌腱構造。有實驗表明，快皮的纖維可以減少3% 的水中阻力。此後，在2007年鯊魚皮泳衣第三代產品一經推出，就在一年內協助世界各國運動員先後21次打破世界紀錄。
鯊魚皮三代的材料結構
鯊魚皮泳衣只是仿生學領域的著名應用之一。仿生學還在很多領域發揮著巨大作用，例如現代飛行器的發展就遵循了鳥類飛行規律，它的機翼曲線模仿了鳥類翅膀的流線型外形，以降低空氣動力阻力。還有透過模仿蝙蝠的超聲波探路系統，現代飛行器採用的雷達導航系統作，飛行器表面幫助降低摩空氣擦阻力、減小紫外線照射損害的塗層等等。
受到大自然的啟示，人類已經實現了許多偉大的仿生工程，很多與普通人生產生活息息相關的產品或技術。這些仿生學的成功應用都是依據自然對人類的啟示，設計出具有既精巧又複雜形狀和功能的材料、設施、產品、技術等。
仿生材料是近二十多年的研究熱點，包括荷葉的疏水性表面，堅硬的貝殼，透過折射產生不同色彩的蝴蝶翅膀等，研究人員都已經成功地在實驗室中學習這些功能做了人工材料。簡言之，透過研究某種自然的結構和特性製造出的具有效能的微結構材料，就是我們所說的仿生材料。
向自然學習
其實這些仿生材料都有一個共同點，那就是它們都在自然界中有個一模一樣的生物製造過程。研究人員們在自然界中尋找特別有趣的功能，再在實驗室做出來具有相同特性的人造產品。貝殼的顯微結構就是這樣一個典型的例子，科學家在實驗室裡做出的高韌性陶瓷複合材料跟它非常像的結構，這樣透過不同形狀、大小、排列方式形成的結構具有非常好的力學效能，斷裂韌性達到30，而普通的陶瓷斷裂韌性只有5、到10左右。
在中國，科學家此前做了一個有意思的研究——蜘蛛絲。一些人可能注意到，下完雨後蜘蛛絲掛的雨滴會像珍珠項鍊一樣形成“掛珠”，這是因為自然的蜘蛛絲裡有紡錘結構，有連線段，水拉到連線段後很快跑到紡錘，就會變成像項鍊一樣的掛珠。連線段和紡錘結構不一樣，因此，水在不同地方的狀態也是不一樣的。
在實驗室裡也可以做出這樣的結構，做出一摸一樣的人工蜘蛛絲。人工蜘蛛絲放入水中後，也是馬上從連線的部分跑到紡錘部分，形成掛珠形式；這對水的收集和運輸有非常重要的應用價值。
從複製自然產物到學習 “生產過程”
除了複製自然界優越的結構和材料，我們還可以學習自然界創造出這些結構和材料的過程，以期透過更簡單便捷的方式獲得優質產品。舉個例子，貝殼、牙齒的生物製造過程都是在室溫條件下形成，而在人工製造裡想燒出相當的陶瓷需要很高的溫度。中國古人能夠做出很好的陶瓷，就是因為我們能夠得到很高的燒級溫度，那我們也能在正常溫度下做出類似的貝殼材料嗎？
自然的鬼斧神工就像一個永不枯竭的靈感源泉，甚至鯊魚的牙齒也能在提升人類生產工藝方面有做貢獻。鯊魚的牙齒跟人的牙齒相比較，顯微結構完全不一樣，生長機制也截然不同。人一輩子就換一次牙齒，而鯊魚一排牙齒用十天，另外一排牙齒又長出來，一隻鯊魚會有大概十年左右的壽命，期間會換掉兩萬顆左右的牙齒。
換句話說，在自然過程裡，鯊魚牙齒的製造過程跟人牙的生成過程完全不一樣，原因在哪裡？目前就有科學家正在開展這方面的研究，是因為生長因子的不一樣、生物學環境的不一樣？還是鯊魚牙齒的顯微結構相對更容易搭建等等其他原因？那麼人類能不能學習鯊魚牙齒的生長過程提升製造陶瓷的人工過程？
關於鯊魚牙齒的設想也只是研究方向中的一隅。許多自然界天然的製造過程都非常具有研究價值，可以用來發展新的材料合成，節省能源與原料等生產資源。因此我們提出新的研究領域Bioprocess inspired synthesis and proceessing（過程仿生製備），這個研究領域涉及幾個很新的工作方面，從天然生物系統的製備過程裡或者生物製造和生物結構的關係裡找到靈感和思想，我們稱之為“inspired”，之前講到非常重要的領域是學習生物結構和效能與服役效能，更近幾年我們則提出的是學習生物製造和生物結構之間的關係。
剛才說，傳統的陶瓷或者跟陶瓷有關的合成和製備技術都需要很高的溫度，而自然界恰恰不要這麼高的溫度就能做出來。那麼能否在這種自然過程的啟發下，發展出室溫的陶瓷製備技術？這是科學界目前的研究目標。由此我們主要開展了幾個方面的工作，包括生物礦化啟示、光合作用啟示、還有其它生物過程啟示。
仿生增材製造：牙醫也能給你換上天然牙齒
研究生物過程對於環境保護與修復領域也有重大意義。比如蚯蚓，它可以在很髒的泥土裡生存，也就是說它不怕重金屬，或者說它具有重金屬的“解毒”能力。這樣的過程被稱作蚯蚓富集修復。
蚯蚓在“解毒”過程中還能夠產生一種有位科學家做了非常有趣的實驗，就是在泥巴里面混入重金屬，讓它吃進去。蚯蚓吃進重金屬後在它的體內發生一些人類還未可知的反應，最後它的排洩物是一種量子點。一般情況下，想要在實驗室要合成量子點也是很困難的事情，但是這麼簡單的天然生物過程，吃進含有重金屬的物質，一天後拉出來的產物裡面就有量子點。
所謂的量子點，又稱半導體奈米晶體，是準零維的奈米材料。顆粒尺寸進入奈米量級時，能展現出許多不同於宏觀材料的光學性質。因此，獨特的量子點在生物醫學光電領域有特殊的應用價值。003年，權威《Science》雜誌將量子點列為當年度的十大科技突破之一，2006年，《Nature》又將量子點評為最有可能實現大規模應用的四類奈米材料之一。
科學家們研究這些量子點在蚯蚓體內的合成機制，那麼我們久遊網在實驗室裡也可以採用這種辦法合成量子點，甚至將來形成成熟的合成製作工藝，量產高質量但價格低廉的量子點材料。
最近我的學生做了一項工作，在一個細胞表面展示蛋白，蛋白指導合成了一個奈米二氧化鈦，運行了5000次以後基本沒有衰減，這是非常好的電池材料，能保證電極的穩定性，這樣漂亮的週期性結構本來在實驗室裡是很難人工製造的，但是透過學習自然界中的一些生物過程，就可以做出很漂亮的週期結構。
此類研究更進一步，就可以聯絡到大家更加熟知的仿生器官模型、仿生導板器械和植入物、仿生組織工程支架以及仿生組織器官等，這些都與生物過程啟示的增材製造有關。所謂增材製造就是物質慢慢長大，長成我們所需要的東西。實際上自然是最好的增材製造師，自然長出來的每一個貝殼都是長得一模一樣，在學界我們把它叫做宏觀增材製造。
科學家們還提出微觀增材製造，因為即便我們用顯微鏡看，自然界產出的物質它的微觀結構也是同樣的，也長得一模一樣；它也是開始沒有，最後長出一個東西，也是和之前的都長的一模一樣，這樣的過程就被稱作微觀的增材製造。
科學家觀察了天然的牙釉質，之後在實驗室裡學習天然的牙釉質做出人工牙釉質，它的效能跟天然牙釉質基本相當，之後我們可以在實驗室裡做出跟天然牙齒一樣的人工牙齒。現在我們換的都是陶瓷牙齒、樹脂牙齒，未來也許可以換一個跟生物牙齒一樣的仿生的天然牙齒。
太陽照一照就能獲得特殊材料？
光合作用也是仿生學的一項重要課題。大家應該都瞭解太陽光一照植物就把二氧化碳和水轉化成糖和氧氣這樣的一個過程，光合作用就是太陽一照就出現反應，產生一個合成的過程。研究者們一致提出來一個願景，就是如果太陽照在我們設定的某一種材料上，能不能合出現同樣的光合作用呢？這依舊是業內一項很遠期的目標。
光合作用有兩個重要的過程——光合作用過程和電子傳輸過程，利用光系統和光生電子和空穴，能不能做出類似的合成材料呢？未來我們的預期，就是透過研究和學習光合作用的原理，研究出太陽一照某種物質就可以合成所需的材料。
人類的仿生學嘗試甚至可以追溯至遠古時期的生產生活工具，古時一些工具甚至直到現在也被普遍使用著，像是因由鋒利的鋸齒草啟發而來的鋸齒工具，以及模仿動物的角、嘴、牙、爪等部分製造的弓箭、長矛、戈、戟、刀等。
而真正形成“仿生”概念其實是在上世紀六十年代，在短短的幾十年間，仿生學已經在諸多領域成功應用。可以說，仿生學不但是一門學科，更是人類對自然的深刻理解。或許在不久的將來，上述設想都能夠得以成功實踐，我們能夠透過觀察自然學習自然，推動人類社會走出一條更和諧可持續的發展道路。
