師法自然，論仿生技術(shù)是如何改變世界的

本文編譯自題為“BioConvergence: How nature-inspired technology is transforming our world”的文章。向自然學習”，這并非是句空話。本文介紹了科學家如何借鑒大自然，在材料科學，信息技術(shù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。希望能為您帶來啟發(fā)。

大自然經(jīng)過45億年的演變與發(fā)展，獨創(chuàng)出一套生命法則。例如高大的紅杉樹，可以抵抗重力作用將水分營養(yǎng)，輸送至100米高的樹頂。大自然便是如此發(fā)展出許多著名的規(guī)律法則，生命遵循各自的自然法則，適應(yīng)，繁衍。

多年以來，研究人員持之以恒地通過研究大自然，以實現(xiàn)創(chuàng)新。比如一名瑞士科學家，有一次在阿爾卑斯山遠足時，發(fā)現(xiàn)針尾草牢牢粘在他的衣物和寵物狗身上，后來他用了十年時間研究出了魔術(shù)貼，向世界證明：堅持向大自然探索，也可以有所收獲。

簡單來說，生物融合就是對自然界的研究，以及將自然作用于現(xiàn)象應(yīng)用于創(chuàng)新的實踐。從技術(shù)的角度，它是仿生生物學，物理學和計算機技術(shù)的集合。該領(lǐng)域正創(chuàng)造出許多激動人心，富有創(chuàng)造力的科技成果，例如新型材料與新制造技術(shù)，它們能高效地制造出更為耐用的產(chǎn)品。

研究人員正密切關(guān)注生物融合領(lǐng)域，希望為解決科學問題尋找更加高效，多樣和獨創(chuàng)的方式。到2030年，全球人口預(yù)計將增至85億，其中10億人將晉身中產(chǎn)階段，對資源的需求愈發(fā)強烈。這些需求都與一個問題緊密相連——可持續(xù)發(fā)展。對可持續(xù)發(fā)展的擔憂迫使科學家要盡快尋找到新時代能源利用，資源消耗以及制品生產(chǎn)等問題的方法。以下我們將介紹利用生物融合改造世界的例子。

仿生制造工藝

未來，資源消耗或許將趕不上需求增長的速度，因此新的生產(chǎn)工藝，材料的理化特性，采用的科學原理，將是我們關(guān)注的重點。新的工藝鼓勵利用定制化，甚至個人化的材料制造不盡相同的產(chǎn)品。好比利用樹木的纖維素制成一根新的樹枝，樹枝因此獲得了柔韌性。顯然，它和同一棵樹上的其它樹枝不同。盡管來源都是同一棵樹，但根據(jù)不同的取材位置，它們的機械強度也會有所差異。

在未來，只需對材料“做加法”，進行修飾，就能控制生產(chǎn)流程，減少污染物的排放。不必額外取材，移花接木，更不必刪繁就簡，我們就可以為材料賦予所需的性質(zhì)。

仿生材料學

仿生材料是一類模仿生物與天然材料的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)與功能的合成材料。例如能模擬光合作用，吸收光能的光學材料；模擬貝母結(jié)構(gòu)的復(fù)合物；以及模仿水母運動的機器人。隨著3D打印技術(shù)的興起，科學家通過大自然獲取靈感對新材料進行設(shè)計，從而取代已有材料，開發(fā)新的制造工藝。

美國國家學術(shù)出版社一篇名為《滿足21世紀國防需求而進行的材料研究》的文章曾說到，“生物有機體內(nèi)大量的小分子，微結(jié)構(gòu)與次級系統(tǒng)都具有令人矚目的材料特性，而這些都是現(xiàn)今非生物合成工藝所無法制造的。因此，有機體內(nèi)各級層次以及天然合成路線都能作為制造增強合成材料的基礎(chǔ)?！?/p>

科學家受鳥類的骨骼啟發(fā)，合成出新的混凝土。他們發(fā)現(xiàn)鳥類的骨骼具有中空結(jié)構(gòu)，但卻能支撐鳥身，具有良好的韌性。德國慕尼黑工業(yè)大學利用3D打印技術(shù)，制備了一種輕質(zhì)的水泥管，其內(nèi)部支撐網(wǎng)絡(luò)與鳥類骨骼結(jié)構(gòu)相似。以結(jié)構(gòu)效率和結(jié)構(gòu)體積為重點。以簡約的設(shè)計滿足生理需求，這就是設(shè)計仿生材料的基本理念。

慕尼黑工業(yè)大學土木工程系主任Klaudius Henke表示，“這種材料借鑒了鳥類輕薄卻穩(wěn)健的骨骼，由于傳統(tǒng)方式無法制造相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，因此3D打印技術(shù)的出現(xiàn)將顛覆這一領(lǐng)域。3D打印實現(xiàn)了材料造型多樣化，以及結(jié)構(gòu)類型多元化，因為每個材料部件都可以獨立設(shè)計，不需花費額外成本。”

DNA存儲技術(shù)

除了材料領(lǐng)域，自然界還在數(shù)據(jù)儲存方面為研究者提供指引。部分科學家表示，全球數(shù)據(jù)使用量逐年呈指數(shù)性增長，預(yù)計到2040年，全球數(shù)據(jù)儲存的需求就會超過閃存器件原材料硅的供應(yīng)量。

為此，科學家希望利用自然界最高效的存儲單元DNA（脫氧核糖核酸），來解決上述問題。傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器為二維結(jié)構(gòu)，而DNA由核苷酸組成，內(nèi)含磷酸鹽，脫氧核糖與含氮堿基，是一類具有三維結(jié)構(gòu)的有機化合物，單位面積儲存的信息更多?？茖W家利用DNA數(shù)字存儲技術(shù)，僅1gDNA便可以儲存2.15億GB信息——這一數(shù)字相當于全互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)總量。作為一種天然材料，DNA結(jié)構(gòu)緊密，在通風陰涼處可以完好保存數(shù)十萬年。

哥倫比亞大學計算機科學家Yaniv Erlich說：“DNA不存在過期的問題，不會像卡式磁帶和CD那樣，隨時間推移而降解失效?！奔词故锹癫爻^70萬年的骨頭碎片，它保存的DNA也能提供許多有用的信息，而且與閃存相比，DNA儲存消耗的能量僅為前者的百萬分之一。

滲透能發(fā)電

生長在沿海地區(qū)的紅杉樹高達100米，從地底汲取水分與營養(yǎng)素，通過其營養(yǎng)輸送系統(tǒng)分布至全身?？茖W家受此啟發(fā)，通過滲透能的原理生產(chǎn)可再生能源。

在挪威的托夫特河，有一臺利用滲透能無碳發(fā)電的原型機。電力通過常見的咸淡水滲透現(xiàn)象而產(chǎn)生。能源公司Statkraft負責人Skilhagen表示，“全球?qū)G色能源的需求十分迫切，而滲透能就是很好的資源。咸淡水通過滲透產(chǎn)生電能，環(huán)?？稍偕??！?/p>

Statkraft的發(fā)電廠從附近地區(qū)抽取咸淡水，分別注入兩個由滲透薄膜隔開的水箱。此時淡水會向咸水滲透，咸水一側(cè)產(chǎn)生滲透能，發(fā)電輪機因而啟動。滲透能每年可產(chǎn)生大約1700兆瓦時電量，這一數(shù)值是目前歐盟各國總耗電量的一半。

人腦AI

人工智能誕生之初，科學家曾預(yù)言未來計算機在處理指令時，能像人類一樣進行思考。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便是受動物大腦的神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)而發(fā)明的。如今，研究人員對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以改造，大膽地將人腦與計算機“合二為一”。位于美國加州的初創(chuàng)公司Koniku，正在研究將動物神經(jīng)元加載到硅片上，研發(fā)相應(yīng)的計算機芯片。

該企業(yè)創(chuàng)始人，尼日利亞神經(jīng)科學家，生物工程師Oshiorenoya Agabi曾說過：“生物學是技術(shù)之靈。所有深度學習網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目的都是仿效大腦的思考模式?！盇gabi表示他的團隊試圖研究如何向神經(jīng)元傳達指令完成具體的任務(wù)，如機場***探測。他們會將設(shè)備放置在機場周圍不起眼的角落，相信能緩解日常機場安檢的壓力。

Koniku研制的設(shè)備能探測出揮發(fā)性物質(zhì)，因此還能應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，識別人體指標分子的變化，“嗅出”疾病。它用一個碟狀裝置控制神經(jīng)元間的信息交流，內(nèi)置的電極可以讓使用者讀取儀器數(shù)據(jù)，甚至向神經(jīng)元寫入新信息。

“未來將是合成生物學的世紀，今天的一切都是為此而做的鋪墊，而人腦AI將會成為機器人的設(shè)計方向?！盇gabi表示。

能量網(wǎng)格群邏輯

蜜蜂是大自然的一個奇跡。它們不需任何指令，僅憑在蜂巢的位置以及周圍蜜蜂的工作，就能清楚自己的職責。

智能能源管理公司Encycle借鑒蜜蜂內(nèi)部去中心化的群邏輯，提高能量網(wǎng)格效率。摒棄了過去中心化分配能量的模式，新裝置使用多個本地控制器，它們之間通過無線電交流信息，對能量進行合理調(diào)配。

企業(yè)還將其應(yīng)用擴展到屋頂空調(diào)系統(tǒng)，恒溫器與建筑管理系統(tǒng)當中。系統(tǒng)利用溫度傳感器控制空調(diào)開關(guān)，從而節(jié)約能源，錯峰用電。

保護以推動創(chuàng)新

創(chuàng)新之路任重道遠，而最偉大的創(chuàng)新者非大自然莫屬。在各個尺度上，存在于地球的數(shù)十億生命形式都能為我們的創(chuàng)新之路給予啟迪。

保護不應(yīng)該只停留在自然資源的層面上，還應(yīng)該對這個時代的創(chuàng)新的關(guān)鍵問題進行討論。自然界蘊藏著生物進化的奧秘，因此善待自然，我們的世界才會變得更好。