潛力無窮的仿生發(fā)明法

勞永新

仿生是模仿生物的簡稱，仿生發(fā)明法就是模仿生物的形態(tài)、材料、結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)明方法。

20世紀(jì)50年代，科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物系統(tǒng)是開辟和發(fā)明新技術(shù)的途徑和源泉之一。1960年9月召開了美國第一次仿生學(xué)會(huì)議。斯梯爾為新的仿生科學(xué)命名為仿生學(xué)，宣告仿生學(xué)的正式誕生。至今仿生學(xué)已包括力學(xué)仿生、分子仿生、化學(xué)仿生、能量仿生、信息與控制仿生、宇宙仿生、電子仿生、機(jī)械仿生、建筑仿生、醫(yī)學(xué)仿生、軍事仿生、經(jīng)濟(jì)仿生等內(nèi)容。仿生的范圍十分廣泛，下面僅就形態(tài)、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能的仿生，分別舉一些實(shí)例加以說明。

建筑仿生

蜂巢由許多排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，具有最小面積和最大容量的特點(diǎn)，建房所需的材料最少，而且極堅(jiān)固。人們仿其結(jié)構(gòu)制成蜂巢式夾層板，強(qiáng)度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制造航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。非氣動(dòng)蜂窩結(jié)構(gòu)的輪胎利用蜂窩的多六邊形結(jié)構(gòu)互相支撐，達(dá)到降低震動(dòng)、提高車輪強(qiáng)度的作用。由于它并不是充氣輪胎，可以避免輪胎爆胎，在噪音抑制和輪胎摩擦發(fā)熱量上也比普通輪胎更為優(yōu)越。蛋殼能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個(gè)部分。建筑師根據(jù)這種“薄殼結(jié)構(gòu)”的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出許多既輕便又省料的仿生建筑物。上海東方音樂廳和臺(tái)灣桃園北區(qū)體育場的屋頂就是蛋形薄殼結(jié)構(gòu)。而國家大劇院的造型頗似“覆蓋在水中的銀白色蛋殼”，具有最大跨度達(dá)212米的圓形穹頂。北京火車站大廳屋頂所采用的薄殼拱形結(jié)構(gòu)，屋頂雖薄，卻很耐壓，經(jīng)得起風(fēng)雨和積雪的“考驗(yàn)”；不僅外形美觀，而且節(jié)約了人力、物力。澳大利亞悉尼歌劇院的屋頂也是薄殼結(jié)構(gòu)，而造型既像豎立著的貝殼，又像兩艘巨型白色帆船。屋頂是薄殼結(jié)構(gòu)的還有北京農(nóng)展館、廣州新體育館、意大利羅馬小體育館和巴黎工業(yè)展覽中心等。

分子仿生

蜘蛛絲的強(qiáng)度超過所有其他天然纖維，與強(qiáng)度最高的碳纖維及凱夫拉纖維等相接近，但其韌性明顯優(yōu)于上述纖維?？茖W(xué)家已通過克隆蜘蛛絲的基因或?qū)⒅┲氲幕蜣D(zhuǎn)移到山羊或蠶的DNA上，從而提取人造蜘蛛絲，它將在醫(yī)藥、工程、體育、軍事等領(lǐng)域大顯身手。如可用作制造堅(jiān)固而輕便的護(hù)甲、更細(xì)的光纖、更加堅(jiān)韌的手術(shù)線、人造腱、人造韌帶以及各種新型運(yùn)動(dòng)護(hù)具等。荷葉“出淤泥而不染”，不沾污泥和水。人們研制出的人工仿生荷葉，是一種人造高分子薄膜，不沾水又不沾油，可用作自清潔西裝和羽絨服等面料。鯊魚在水中的高游速，得益于它的皮膚可以減少水的阻力。仿鯊魚皮泳衣，具有極輕、低阻、防水和快干的特性。在最近三屆奧運(yùn)會(huì)的游泳比賽中，有許多泳將穿著它打破了紀(jì)錄。

醫(yī)學(xué)仿生

人的牙齒非常堅(jiān)固，但患牙病或因外傷牙齒缺失后需裝塑料或金屬材質(zhì)的人工牙。人工種植牙是將與人體骨質(zhì)兼容性高的純鈦金屬牙植入缺牙區(qū)的牙槽骨內(nèi)，可承受正常的咀嚼力量，功能和美觀上幾乎和自然牙一樣。人工活體骨就是用自然界或者是人工合成的生物材料制備成的“支架”和人工提取的活的骨細(xì)胞結(jié)合，植入人體內(nèi)骨缺損部位。如用具有天然骨的多孔結(jié)構(gòu)的人工合成的納米羥基磷灰石和膠原的復(fù)合材料，植入后經(jīng)過幾個(gè)月就可被人體完全吸收，修復(fù)后的骨頭和人體骨完全一樣，而且整個(gè)過程沒有任何排異反應(yīng)。仿生人則是通過用接近于人體質(zhì)地的仿生材料來制造出人體各部分器官，從而造出非常接近真人的仿生人，再加傳感器，用作模型代替真人去承受真人無法承受的環(huán)境。如將仿生人放置在汽車中進(jìn)行撞碰實(shí)驗(yàn)，在汽車被撞擊翻滾的情況下，測試駕駛員和乘客的生命安全參數(shù)。

模仿生物特殊功能的發(fā)明也相當(dāng)多。例如根據(jù)青蛙眼睛的特殊構(gòu)造研制的電子蛙眼，可用于監(jiān)視飛機(jī)的起落和跟蹤人造衛(wèi)星。蒼蠅的楫翅(即平衡棒)是“天然導(dǎo)航儀”，人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”，目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”，由3000多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。一次就能照出千百張相同的相片，這種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版。通過對螢火蟲和海蠅的發(fā)光原理的研究，獲得了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能的方法，從而研制出熒光燈。19世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伏特，以電魚的發(fā)電器官為模型，設(shè)計(jì)出世界上最早的伏打電池。仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)的水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀，相當(dāng)精確地模擬了水母感受次聲波的器官。它能提前15小時(shí)對風(fēng)暴作出預(yù)報(bào)，以保證航海和漁船的安全。根據(jù)蒼蠅嗅覺器的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成一種奇特的小型氣體分析儀，已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內(nèi)氣體的成分。根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測速儀”可測定飛機(jī)著陸速度。響尾蛇的視力幾乎為零，但其鼻子上的頰窩器官具有熱定位功能，對0.001攝氏度的溫差都能感覺出來，且反應(yīng)時(shí)間不超過0.1秒。根據(jù)響尾蛇這一奇特功能，研制出了夜視儀、空對空響尾蛇導(dǎo)彈以及仿生紅外探測器。蝙蝠是靠自身發(fā)_出的超聲波來引導(dǎo)飛行的，科學(xué)家通過模仿蝙蝠按照目標(biāo)情況隨時(shí)調(diào)整脈沖參數(shù)和調(diào)整方向的探測方法，提高了雷達(dá)的靈敏度和抗干擾能力。還通過模仿蝙蝠回聲定位功能原理，仿制出用于軍事的聲納眼鏡及盲人用的“探路儀”。模仿蜜蜂偏振光定向本領(lǐng)，研制出偏振定向器用于飛機(jī)、艦船。

仿生技術(shù)的應(yīng)用大大推動(dòng)了科技的進(jìn)步和人類的發(fā)展。仿生技術(shù)用于醫(yī)療推動(dòng)了人工和仿生器官技術(shù)的發(fā)展。人類開始是采用機(jī)械和電子的方法模擬出人工器官，如人工心臟起搏器；可以排出二氧化碳、吸進(jìn)氧氣的人工肺；從血液透析演變?yōu)檠簝艋娜斯つI等；植入替代人耳功能的電子人工耳蝸，可使患有重度或極重度耳聾的人的聽力接近正常：人造視網(wǎng)膜系統(tǒng)用攝像機(jī)記錄下基本的視覺信息，并將它加工成電信號，通過無線傳輸?shù)絻?nèi)置的電極上，讓盲人恢復(fù)其視網(wǎng)膜功能，從而產(chǎn)生模糊的視力。仿生手可以依靠人腦思維來控制，并讓假肢有觸覺；智能仿生腿是由微處理器控制關(guān)節(jié)活動(dòng)的高科技假腿。用燒傷患者自身的骨髓細(xì)胞培育成皮膚組織，并已用于臨床移植；現(xiàn)在用造血干細(xì)胞的移植來治療白血病的療效較好。而肝干細(xì)胞移植治療肝臟疾病和干細(xì)胞移植治療腦癱等正在努力改善中。最理想的仿生組織和器官是根據(jù)生物由干細(xì)胞的分化而自生長出來或自愈。胚胎干細(xì)胞是指當(dāng)受精卵分裂發(fā)育成囊胚時(shí)內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的細(xì)胞，它具有可體外培養(yǎng)、無限增殖、自我更新和多向分化的特性。它是一種高度未分化細(xì)胞，具有發(fā)育的全能性，能分化出動(dòng)物的所有組織和器官。所以可以避免不同個(gè)體間的移植排斥，是仿生醫(yī)學(xué)的希望所在。

仿生學(xué)的誕生才37年，目前的仿生技術(shù)只模仿了生物特殊功能中的極小部分，而且有的還處于初步階段，如模仿魚腮的提取空氣、供人在水下活動(dòng)時(shí)呼吸用的人工腮還不夠理想。仿生自組裝更只揭開了冰山一角。能創(chuàng)造巨大價(jià)值的模仿植物固氮和光合作用等都尚未取得成功。因此，仿生技術(shù)的發(fā)展?jié)摿o窮。