从自然界中探寻创新之源
作者：杜家纬
仿生学已列入我国重点发展领域
跨入21世纪，我国进入了加快推进现代化和积极参与经济全球化的新时期，将迎来实现跨越式发展的历史机遇，也将面临严峻的全球性竞争和挑战。目前我国已经在高速宽带网、高性能计算机、超大规模集成电路、大型应用软件、国家空间信息应用与服务，生物芯片、生物技术，特种功能材料、纳米材料、高性能结构材料，现代集成制造系统、机器人和飞机制造等航空航天技术等领域获得了突飞猛进的发展。
特别引人注目的是，在我国当前优先发展的高技术产业化141个重点领域中，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，发酵工程关键技术及重大产品，医药新剂型、新型医用精密诊断及治疗仪器、新型材料——纳米材料和特种粉末及其制品，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，高效、安全新农药、兽药及生物防治技术，新型墙体材料等(不包括航天航空技术在内)。这些项目的实施将为我国国民经济的腾飞和持续发展提供有力的保障。
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国内外仿生学基本发展动向
进入21世纪前，各国都在发展仿生学这门交叉学科的基础研究上作了精心和长期计划准备。例如美国有一项长期研究计划，将优先发展先进制造(其中包括模拟与仿真、传感器、生物技术、微制造)、先进材料(材料合成、加工技术研究，创造新材料和新工艺等)以及先进军事装备研究等领域。德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在自适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等投入了相当大的财力和人力。英国政府也早于1993年5月发表了科学大臣沃尔德·格雷夫主持撰写的科技白皮书，题为《运用我们的潜力——科学、工程和技术战略》。日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。从这些科技发展计划中明显看出，各国都在仿生学研究领域内展开源头研究的剧烈竞争，以便在21世纪的世界市场上占有主动地位。
目前国内在仿生学领域内的研究工作已经具有一定的基础，在仿生结构、生物力学、仿生材料、仿生微结构、仿生功能元件、仿生化学等方面都有一定的进展和研究积累。
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近十年来，不仅科学技术成果甚丰，而且它们被迅速地转化为工艺相关产品，应用于经济、军事和人类的福利与健康，创造了巨大的经济效益。从科技战略意义上说，目前科学技术先进的国家在研究成果商业化方面的竞争比在研究与开发方面的竞争更为激烈。这种竞争进一步推动现代科学技术发展，使崭新性和增益性的创新成果不断涌现，产品和工艺不断改进。
21世纪仿生学对我国高新技术产业的影响
仿生学是从生物界发现机理来解决人类技术上问题的一门综合性的交叉学科。今天的仿生学则更多地表现为是将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去的一门学科。国际知名动物学家Wemer Nachtigall博士提出仿生学就是“学习自然界的现象作为技术创新的模式”的基本概念。那么，21世纪仿生学研究将会对我国高新技术产业产生怎么样的影响？下面举一些例子来说明：波恩大学植物学家William Borthlott博士及其同事通过对莲花叶表面的超微结构和性质的研究发现了莲花叶的自净原理，称为“莲花效应”。它对人造表面的防污原理有着非常重要的意义。目前美国汽车制造业已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车制造业。在汽车
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工业中轮胎的设计非常重要，必须具备与地面的摩擦性和较好的抓地性能。最近，德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种AMC垫型轮胎。采用这种新概念的轮胎，增加了轮胎与地面的摩擦力，大大降低了刹车距离，提高了安全性。同时这种轮胎表面的柔软性和硬性网状结构设计提供较大的抓地性和运行精度，这类新概念的轮胎目前正在进行实地试验，不久即将问世。这将会对世界轮胎业产生很大的冲击力。
一个最近的例子是2002年德国米勒公司推出一种新型的洗衣机，其内桶结构是根据蜂巢形状所设计。这种独特洗衣机的洗涤过程是柔顺的，所洗的衣服特别干净，这类利用仿生学原理所设计的洗衣机将对目前世界洗衣机业产生巨大的挑战。据统计，我国目前每年洗衣机的更新量为500万台，这就意味着我国自行设计的洗衣机在今后能占多大的市场份额，值得令人思考。
在纺织工业中，人造纤维的仿生合成工艺研究也在紧张地进行。科学家在研究了蜘蛛丝的强度、结构和生物合成过程后，提出了人造纤维生产技术的重大变革。这也将在本世纪对现有纺织业产生巨大的冲击。在超微结构研究中的另一个重要例子是对一种海洋生物海绵结构研究表明，其基部的针状物大小与光导纤维相似，材料性质相同，类似现代的光导纤维的结构，但不易断。贝尔实验室和美国朗讯半导体公司测试了它的光学性能，发现这种针形物及笼型构造具有很高的光反射性，具有相当出色的信号传输能力。而这种针状却不易断(这是光导纤维通讯的主要问题)。难能可贵的是这种天然纤维是在室温下形成的，而制造光导纤维是需高温的，这样就很难加入特殊杂质去改善其传输性能。这类仿生学的研究对光导纤维的制造工艺将会有很大的启示和推动。
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21世纪具有更大挑战性的领域将是计算机。提高计算机的运算能力和减小体积是目前计算机研究领域的热点。2001年以色列魏茨曼科学研究所宣布，该所一个研究小组已经研制出一种体积小到像一滴水那样的DNA计算机模型，该计算机模型就是利用DNA和酶作为它们的软件和硬件，且不需要外来电源。据报道，1微升这样的DNA溶液的运算速度每秒可达660亿次。
即使计算机的速度提高了，体积微型化了，但有一个问题仍然阻碍着计算机的发展，即计算机与人的思维间的接口。现在工业和科学界都在为解决这个障碍展开激烈竞争，其结果有可能发展一种与机器通讯的最容易的表达方式。最近《自然》杂志报道了美国杜克大学的一项实验，即利用猴脑的信号通过互联网操纵1000公里外的机器臂的研究。该系统是用植入猴脑用于检测脑信号的96个细如发的微电极，分别记录单个神经元的信号，随后利用一个编码算法的计算机综合这些信息。由计算机通过互联网发出信号来控制机器臂完成动作。这项研究展示了人脑和机器的接口方面的进展。这项研究已经可以使瘫痪病人用脑来控制某些运动。
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21世纪的生物力学研究将在军事领域内展开空前激烈的竞争。20世纪末，各种先进的微型制造技术，微机电系统、微电子和一体化技术的迅速发展，为军事装备领域的发展奠定了基础。据最近出版的《华盛顿邮报》报道，由加拿大多伦多大学和美国加州SRI国际研究公司共同开发，模仿蜻蜓飞行姿态的扑翼飞机已试飞成功，成为世界上首架可在空中盘旋十多分钟的扑翼机。
动物感官的仿生研究一直是仿生学研究中活跃的领域。依据生物原型所研制成功的电子模型已广泛用于化学、食品、香料工业中，还可以用于分析矿井、潜艇、宇宙飞船座舱和仓库里的气体，以及用于侦缉、输气管检漏和探矿。模拟生物嗅觉器官制成的电子鼻模型使自动分析仪器更灵敏、快速和小型化。在研究了苍蝇嗅觉器官的生物化学本性和化学反应转变成电脉冲的方式之后，已仿制成十分灵敏的小型气体分析仪。这种仪器已装置在宇宙飞船座舱里分析其中的气体。同时它也可测量潜水艇和矿井里的有毒气体，以及时发出警报。狗是以其鼻子灵敏而著称的，它能感觉数万种物质的气味和浓度，检测灵敏度已达到数个分子的水平。人们研制一种能代替警犬的电子仪器，这就是所谓“电子警犬”，“电子警犬”可以发现苯、染料、漆、氨、树脂、瓦斯、新鲜苹果和香蕉的气味，因此它可以用在手术室、仓库、汽油库和工厂区进行气味检测。这种仪器发现上述气味的灵敏度已达到活狗鼻子的水平。从研究昆虫的嗅觉直至昆虫交配的化学通讯系统，我国科学家研制成功仿生诱芯，这类仿生诱芯释放着和活雌虫几乎完全相同的化学通讯信号，就像一个活雌蛾在召引雄蛾。仿生诱芯已经在我国农林业的害虫测报和防治上大面积应用，并且已经产业化。
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能否研究出一种不需光合作用而能生长的人造植物叶，是许多科学家试图攻克的课题。最近有报道说，美国橡树岭国家实验室的LigenG.Wang在《物理学通讯》中描述了为什么有些物质在某特定条件下能催化二氧化碳转化成其它有机分子。例如普通颗粒的硒化镉(CdSe)不能进行这样的反应，而该富镉化合物却能在纳米大小下发生反应。这类纳米级的晶体之所以能进行这类反应，是因为从金属转移电子到二氧化碳分子所需的能量很少。科学家进一步计算出假如将铟原子加到纳米级化合物晶体内，反应就不需要光能了，这就可能造出人造叶，这样即使在黑暗状态下，也可以用这类人造叶来消除二氧化碳。尽管这项研究还未真正涉及到植物叶的完整功能，但已经显示出它在环境保护领域内的巨大应用前景。
在经济高速发展的今天，特别在经济、社会的发展越来越需要原创性科技成果支撑的时代，我国的科学家和高新技术企业必须重视从自然界的创新源泉中去获取属于我们自己的新技术、新方法、新工艺和新理论，以推动我国科学技术和高新技术产业的持续发展。
(本文作者为：中科院上海生命科学院植物生理生态研究所研究员), 百拇医药
仿生学已列入我国重点发展领域
跨入21世纪，我国进入了加快推进现代化和积极参与经济全球化的新时期，将迎来实现跨越式发展的历史机遇，也将面临严峻的全球性竞争和挑战。目前我国已经在高速宽带网、高性能计算机、超大规模集成电路、大型应用软件、国家空间信息应用与服务，生物芯片、生物技术，特种功能材料、纳米材料、高性能结构材料，现代集成制造系统、机器人和飞机制造等航空航天技术等领域获得了突飞猛进的发展。
特别引人注目的是，在我国当前优先发展的高技术产业化141个重点领域中，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，发酵工程关键技术及重大产品，医药新剂型、新型医用精密诊断及治疗仪器、新型材料——纳米材料和特种粉末及其制品，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，高效、安全新农药、兽药及生物防治技术，新型墙体材料等(不包括航天航空技术在内)。这些项目的实施将为我国国民经济的腾飞和持续发展提供有力的保障。
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国内外仿生学基本发展动向
进入21世纪前，各国都在发展仿生学这门交叉学科的基础研究上作了精心和长期计划准备。例如美国有一项长期研究计划，将优先发展先进制造(其中包括模拟与仿真、传感器、生物技术、微制造)、先进材料(材料合成、加工技术研究，创造新材料和新工艺等)以及先进军事装备研究等领域。德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在自适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等投入了相当大的财力和人力。英国政府也早于1993年5月发表了科学大臣沃尔德·格雷夫主持撰写的科技白皮书，题为《运用我们的潜力——科学、工程和技术战略》。日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。从这些科技发展计划中明显看出，各国都在仿生学研究领域内展开源头研究的剧烈竞争，以便在21世纪的世界市场上占有主动地位。
目前国内在仿生学领域内的研究工作已经具有一定的基础，在仿生结构、生物力学、仿生材料、仿生微结构、仿生功能元件、仿生化学等方面都有一定的进展和研究积累。
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近十年来，不仅科学技术成果甚丰，而且它们被迅速地转化为工艺相关产品，应用于经济、军事和人类的福利与健康，创造了巨大的经济效益。从科技战略意义上说，目前科学技术先进的国家在研究成果商业化方面的竞争比在研究与开发方面的竞争更为激烈。这种竞争进一步推动现代科学技术发展，使崭新性和增益性的创新成果不断涌现，产品和工艺不断改进。
21世纪仿生学对我国高新技术产业的影响
仿生学是从生物界发现机理来解决人类技术上问题的一门综合性的交叉学科。今天的仿生学则更多地表现为是将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去的一门学科。国际知名动物学家Wemer Nachtigall博士提出仿生学就是“学习自然界的现象作为技术创新的模式”的基本概念。那么，21世纪仿生学研究将会对我国高新技术产业产生怎么样的影响？下面举一些例子来说明：波恩大学植物学家William Borthlott博士及其同事通过对莲花叶表面的超微结构和性质的研究发现了莲花叶的自净原理，称为“莲花效应”。它对人造表面的防污原理有着非常重要的意义。目前美国汽车制造业已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车制造业。在汽车
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工业中轮胎的设计非常重要，必须具备与地面的摩擦性和较好的抓地性能。最近，德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种AMC垫型轮胎。采用这种新概念的轮胎，增加了轮胎与地面的摩擦力，大大降低了刹车距离，提高了安全性。同时这种轮胎表面的柔软性和硬性网状结构设计提供较大的抓地性和运行精度，这类新概念的轮胎目前正在进行实地试验，不久即将问世。这将会对世界轮胎业产生很大的冲击力。
一个最近的例子是2002年德国米勒公司推出一种新型的洗衣机，其内桶结构是根据蜂巢形状所设计。这种独特洗衣机的洗涤过程是柔顺的，所洗的衣服特别干净，这类利用仿生学原理所设计的洗衣机将对目前世界洗衣机业产生巨大的挑战。据统计，我国目前每年洗衣机的更新量为500万台，这就意味着我国自行设计的洗衣机在今后能占多大的市场份额，值得令人思考。
在纺织工业中，人造纤维的仿生合成工艺研究也在紧张地进行。科学家在研究了蜘蛛丝的强度、结构和生物合成过程后，提出了人造纤维生产技术的重大变革。这也将在本世纪对现有纺织业产生巨大的冲击。在超微结构研究中的另一个重要例子是对一种海洋生物海绵结构研究表明，其基部的针状物大小与光导纤维相似，材料性质相同，类似现代的光导纤维的结构，但不易断。贝尔实验室和美国朗讯半导体公司测试了它的光学性能，发现这种针形物及笼型构造具有很高的光反射性，具有相当出色的信号传输能力。而这种针状却不易断(这是光导纤维通讯的主要问题)。难能可贵的是这种天然纤维是在室温下形成的，而制造光导纤维是需高温的，这样就很难加入特殊杂质去改善其传输性能。这类仿生学的研究对光导纤维的制造工艺将会有很大的启示和推动。
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21世纪具有更大挑战性的领域将是计算机。提高计算机的运算能力和减小体积是目前计算机研究领域的热点。2001年以色列魏茨曼科学研究所宣布，该所一个研究小组已经研制出一种体积小到像一滴水那样的DNA计算机模型，该计算机模型就是利用DNA和酶作为它们的软件和硬件，且不需要外来电源。据报道，1微升这样的DNA溶液的运算速度每秒可达660亿次。
即使计算机的速度提高了，体积微型化了，但有一个问题仍然阻碍着计算机的发展，即计算机与人的思维间的接口。现在工业和科学界都在为解决这个障碍展开激烈竞争，其结果有可能发展一种与机器通讯的最容易的表达方式。最近《自然》杂志报道了美国杜克大学的一项实验，即利用猴脑的信号通过互联网操纵1000公里外的机器臂的研究。该系统是用植入猴脑用于检测脑信号的96个细如发的微电极，分别记录单个神经元的信号，随后利用一个编码算法的计算机综合这些信息。由计算机通过互联网发出信号来控制机器臂完成动作。这项研究展示了人脑和机器的接口方面的进展。这项研究已经可以使瘫痪病人用脑来控制某些运动。
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21世纪的生物力学研究将在军事领域内展开空前激烈的竞争。20世纪末，各种先进的微型制造技术，微机电系统、微电子和一体化技术的迅速发展，为军事装备领域的发展奠定了基础。据最近出版的《华盛顿邮报》报道，由加拿大多伦多大学和美国加州SRI国际研究公司共同开发，模仿蜻蜓飞行姿态的扑翼飞机已试飞成功，成为世界上首架可在空中盘旋十多分钟的扑翼机。
动物感官的仿生研究一直是仿生学研究中活跃的领域。依据生物原型所研制成功的电子模型已广泛用于化学、食品、香料工业中，还可以用于分析矿井、潜艇、宇宙飞船座舱和仓库里的气体，以及用于侦缉、输气管检漏和探矿。模拟生物嗅觉器官制成的电子鼻模型使自动分析仪器更灵敏、快速和小型化。在研究了苍蝇嗅觉器官的生物化学本性和化学反应转变成电脉冲的方式之后，已仿制成十分灵敏的小型气体分析仪。这种仪器已装置在宇宙飞船座舱里分析其中的气体。同时它也可测量潜水艇和矿井里的有毒气体，以及时发出警报。狗是以其鼻子灵敏而著称的，它能感觉数万种物质的气味和浓度，检测灵敏度已达到数个分子的水平。人们研制一种能代替警犬的电子仪器，这就是所谓“电子警犬”，“电子警犬”可以发现苯、染料、漆、氨、树脂、瓦斯、新鲜苹果和香蕉的气味，因此它可以用在手术室、仓库、汽油库和工厂区进行气味检测。这种仪器发现上述气味的灵敏度已达到活狗鼻子的水平。从研究昆虫的嗅觉直至昆虫交配的化学通讯系统，我国科学家研制成功仿生诱芯，这类仿生诱芯释放着和活雌虫几乎完全相同的化学通讯信号，就像一个活雌蛾在召引雄蛾。仿生诱芯已经在我国农林业的害虫测报和防治上大面积应用，并且已经产业化。
, http://www.100md.com
能否研究出一种不需光合作用而能生长的人造植物叶，是许多科学家试图攻克的课题。最近有报道说，美国橡树岭国家实验室的LigenG.Wang在《物理学通讯》中描述了为什么有些物质在某特定条件下能催化二氧化碳转化成其它有机分子。例如普通颗粒的硒化镉(CdSe)不能进行这样的反应，而该富镉化合物却能在纳米大小下发生反应。这类纳米级的晶体之所以能进行这类反应，是因为从金属转移电子到二氧化碳分子所需的能量很少。科学家进一步计算出假如将铟原子加到纳米级化合物晶体内，反应就不需要光能了，这就可能造出人造叶，这样即使在黑暗状态下，也可以用这类人造叶来消除二氧化碳。尽管这项研究还未真正涉及到植物叶的完整功能，但已经显示出它在环境保护领域内的巨大应用前景。
在经济高速发展的今天，特别在经济、社会的发展越来越需要原创性科技成果支撑的时代，我国的科学家和高新技术企业必须重视从自然界的创新源泉中去获取属于我们自己的新技术、新方法、新工艺和新理论，以推动我国科学技术和高新技术产业的持续发展。
(本文作者为：中科院上海生命科学院植物生理生态研究所研究员), 百拇医药