來自自然的創(chuàng)造力：復制大自然的神奇設計

文/Glenna B.Musante

譯/何帆

(譯自AATCCReview,March/April 2014 Vol.14,No.2)

如果仔細觀察大自然中的一草一木，你就會發(fā)現其中蘊藏著無數精巧的設計，比如：如能夠隨時改變膚色融入周圍環(huán)境的動物；非常柔韌卻能抵御捕食者的外殼；通過翅膀、毛發(fā)、皮膚上的特殊結構折射光線產生顏色；如同微型工廠般紡出世界上最輕盈、強韌纖維的蜘蛛。自然界獨特的設計、功能、物質為人類提供了一個巨大的創(chuàng)造力來源的寶庫。這些驚人而復雜的系統默默無聞地運行，天衣無縫地與自然相容，且毫無毒害。

仿生學是一個包羅萬象的世界，也是紡織學家開始轉向這個相對新的領域尋找靈感的原因。仿生學的研究對象是自然，尋找其中的創(chuàng)新設計、建造思路正在變得越來越流行。仿生學變熱的同時，也吸引了大量研究資金。

1 自然母親公司

據毛紡織和化學教授Crisan Popescu說，仿生學是個正在發(fā)展的研究領域，但同時也與服裝業(yè)一樣非常古老。

他說，服裝最初是用來替代皮毛的，從這個角度來說，仿生學從人類歷史開端就有了。現在，于前人研究的基礎上，紡織學院正在資助仿生學研究者開發(fā)具有高度復雜功能的紡織品。

最為大眾熟知的運用仿生學例子是現在服裝上使用的魔術貼。1940年代，一位名叫George de Mestral的瑞士工程師牽著寵物犬出門散步，當他們回來時，發(fā)現狗身上粘上了許多帶小毛刺的針尾草。出于好奇，George仔細查看了這些針尾草，他突然有所領悟，于是就有了非常受歡迎，模仿針尾草原理的Velcro牌鉤環(huán)結構尼龍搭扣。

也是在1940年代，英國人發(fā)明了一種叫做Ven?tile的防水織物。它由一種遇水自動膨脹的長絨棉制成。據Popescu教授介紹，二戰(zhàn)期間，這種織物曾被用來生產皇家空軍軍官制服。Ventile一詞由法語演變而來，意為通風，因為這種纖維遇水膨脹，因而可以有效阻隔外界的各種元素。

2 回到未來

令人吃驚的同時，這些源于大自然的發(fā)明為人類提供了新一代紡織產品，使它們具有眾多不可思議的新功能。

其中一個例子是Mincor TX TT——一種由巴斯夫公司（BASF）生產的，用于遮陽篷、船帆、帳篷等具有自清潔功能的紡織涂層。這款產品的發(fā)明原型是荷葉上防止水滴與灰塵粘附的細小納米級突起。擁有這種涂層的織物也具有與荷葉一樣的自凈功能。

另一個現代運用仿生學設計的例子是一款叫做Morphotex的帝人纖維。據與Inotek公司合作開發(fā)這款產品的Veronika Kapsali介紹，Morphotex不需人工染色便可自動顯色。他說：“這款產品是基于自然界中結構色的機制設計的，如同大閃蝶翅膀上的亮藍色，是通過翅膀上細小結構的特定排列將白光中的藍色光反射而產生的。正因如此，帝人纖維也被稱為光顯色纖維?！盞apsali稱Morphotex是一款神奇的產品，但2005年，它被帝人公司從市場中撤出，因為當時生產商并沒有對它產生足夠的興趣。

在過去幾年中，美國Schoeller公司從仿生學中獲得靈感，開發(fā)了多款產品，并成功將其推向市場。Schoeller公司董事長Weinbender說：“大自然中的生物是充滿智慧的，動植物經過億萬年的演化經受了自然的挑戰(zhàn)，適應了氣候變化，獲得了能量，保護了自己?！?/p>

Schoeller研發(fā)實驗室開發(fā)的仿生產品包括Nanosphere，根據蓮葉結構開發(fā)的具有自凈功能的織物；c-change，一種適應性紡織膜，可根據人體溫度及濕度打開、關閉氣孔，保持適宜的內部環(huán)境，防水防風；solar+，一種紡織新技術，能夠吸收太陽光能增強衣物保暖性；ecorepel，由鴨子的羽毛獲得靈感研發(fā)的“生態(tài)防水產品”。

“我們的研發(fā)團隊一直從自然中獲得啟發(fā)?！盬einbender說，“例如，我們從人類的皮膚入手開發(fā)膜技術，還開發(fā)了通過鎖住空氣發(fā)生作用的輕型絕緣材料，我們的目標是開發(fā)更清潔，安全，多功能的織物，同時產生很少或幾乎不產生污染物?！?/p>

3 有前景的發(fā)展

以上產品都已進入市場，還有一些正在研發(fā)中。這些新技術有望為人類提供前景更加廣闊，擁有更多功能的新產品。

(1)種出來的羊毛

德國亞琛大學的研究者們正在嘗試研發(fā)“試管羊毛”，實際上是一種在實驗室里長出來的羊毛?！叭嗽烊饪梢栽趯嶒炇冶簧a出來，為什么羊毛不行呢？”Popescu教授說?！把蛎慌囵B(yǎng)在毛囊中，關鍵是要測得毛囊的生物能量。換句話說，如果弄清毛囊的工作原理，并能夠復制這一過程，生產人造羊毛只是時間問題了?！盤opescu教授的團隊還在研發(fā)一款互動微凝膠，原理與松果類似，可以根據濕度變化張開或閉合。他們研發(fā)的最終產品還能根據pH、溫度以及光線做出反應?！八梢耘蛎?、收縮，這是一款可以進行互動的材料?！盤opescu教授說。

（2）無毒永久熨平

Mark Dorfman是Biomimicry 3.8咨詢公司的科學家，他以研究大自然為生，開發(fā)一系列模仿自然界原理、特征、設計的產品。

Dorfman為利慧公司（Levi Strauss&Co）工作，尋找印染劑替代品使其能夠為織物保持永久熨平效果。據Dorfman介紹，棉花的標準永久燙平過程中需要將棉花浸泡在甲醛溶液中，使甲醛填充在纖維空隙中，保證熨燙時織物被定型。

“對于穿著者來說，甲醛溶液并不會對他們產生影響?！盌orfman說，但對于生產者，由此產生的污水會帶來有毒化學物質。目前，Dorfman及他的同事進行的一項頗具前景的研究正利用仿生學原理為利慧公司開發(fā)一種用于織物永久熨平的毒性較小的甲醛溶液替代品。

4 迷人但難以捉摸

大自然為人類帶來如此之多的創(chuàng)造靈感，難怪越來越多的科學家們都開始在仿生學領域尋找研究思路。不過，想原樣照搬這些大自然的杰作并非易事，有些問題甚至最優(yōu)秀的科學家也解決不了，其中一項便是關于蜘蛛絲的研究。

(1)人工合成蛛絲

“如果說仿生學設計中有一座難以逾越的珠穆朗瑪峰，那非蜘蛛絲莫屬?！盬einbender說，“我在Schoeller公司工作了26年，從我剛工作起關于蛛絲的項目就已啟動，直到現在仍在進行。它如此強韌、輕盈，到目前為止我們都無法生產出符合蛛絲各項指標的人造絲?！?/p>

不過，這個項目的創(chuàng)意還是很吸引人的，它基于蛛絲的“強度與重量比”。蛛絲非常結實，甚至可以用來提供彈道保護，同時它又如此柔軟、輕盈，不像通常用于生產軍用防彈衣、防彈背心的材料。Weinbender希望將來通過研究能夠實現蛛絲商業(yè)化量產。雖然在研發(fā)和量產人工合成蛛絲上還有許多障礙，Schoeller公司研發(fā)實驗室仍在堅持這項研究。

同時，世界上其他團隊及公司也在從事于這項研究。Popescu說，人工合成蛛絲量產的實現可能會比人們預料的要早。他說：“我們一直在從事這項研究，亞琛大學已經發(fā)明了一種利用電紡機生產人工合成蛛絲的方法。”與生活中所見的棉花糖機原理類似，電紡機以各種有機和無機聚合物為原料制造納米纖維，再紡成合成絲。Popescu說，從1980年代起，人們就開始了這項研究，現在終于研制出了能夠推向市場的產品。

Popescu說，靜電紡紗能夠生產出細至1微米的絲，他們發(fā)明的人工合成蛛絲非常輕且強度極高，由角蛋白溶液為原料，直徑為600～800納米。他相信，這樣的絲已經可以用來生產既舒適又輕便的防彈材料了。

他們的研究思路已經在實驗室得到證實，“現在需要在產品的開發(fā)工程上做文章了?！盤opescu說，加上批量生產，還需要五年或更短時間。

（2）自愈織物

另一種吸引人卻難以捉摸的仿生紡織品是自愈織物。Popescu說科學家們已經開發(fā)出一款自愈涂料，現在已經應用在寶馬和其他高端汽車上。這款自愈涂料是一種聚氨酯涂料，主要原料是從甲殼動物外殼中提取的殼聚糖。這種殼聚糖形成的化學鏈與陽光發(fā)生反應從而“治愈”劃痕。不過，這項發(fā)明目前只停留在理論研究階段。

（3）軍用迷彩

軍用迷彩是另一項有趣的發(fā)明，如同變色龍會隨周圍環(huán)境改變皮膚顏色，軍用迷彩也有這樣的作用。Popescu說，研究部門已經發(fā)明了一些織物能夠隨環(huán)境改變自身特性，包括顏色，但離實現量產還早得很。

他說：“我們已經著手這項研究，可以在實驗室中再現變色龍效應，使微凝膠暴露在光下時發(fā)生形狀改變。但問題是，這種微凝膠能夠被應用在涂料中嗎？涂料在紡織界是不穩(wěn)定的。真正能夠在各種環(huán)境下保持穩(wěn)定的變色龍纖維至少還需10年時間才能發(fā)明出來?！?/p>

5 展望

雖然困難重重，世界各地的紡織化學家正在模仿自然界各種神奇的特質，開發(fā)一系列產品?？茖W家們最希望擁有大自然的能力，復制出一個生物系統，在運行時不消耗資源或損害周圍環(huán)境。

Dorfman教授說，自然界中的一切，例如，每一片葉子都是一座可控、高效的化學工廠，同時又與周圍環(huán)境和諧共存，它們不斷適應環(huán)境、自我進化，這是人類應當效仿的。