来自大自然的启示：仿生学可以走多远？

作者：张馨予

　　出品：新浪科技《科学大家》、中关村论坛

　　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”，核心急速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，现代飞行器采用的雷达导航系统作，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，做出一摸一样的人工蜘蛛丝。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？