生命科学与仿生学_杜家纬

生命科学Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ第１６卷 第５期２００４年１０月Ｖｏｌ．　１６，　Ｎｏ．　５Ｏｃｔ．，　２００４

生命科学与仿生学

杜家纬

（中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海　２０００３２）

１　前言

仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ）是１９６０年由美国斯蒂尔博士提

出的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，是利用自然生物系统构造和

生命活动过程作为技术创新设计的标准，有意识地

进行复制，它使人类社会逐步由向自然索取转入向

自然界学习和创造世界的新纪元。国际上有声誉的

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。

美国蒙大拿大学讲师Ｂｅｎｙｕｓ于１９９８年撰写和

出版一本《仿生学：源于自然的创新灵感》的仿

生学专著［１］。书名采用了“Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ”一词，来

自希腊语ｂｉｏｓ（意为生命）　和ｍｉｍｅｓｉｓ　（意为模仿）的组

合，作者阐述和描绘了将来的仿生学定义及其意义。这是近几年国际学术讨论和２０００年工业生态国

际会议的一个热门主题。这个新的科学研究方法论

给科学、工业、社会，甚至个人更新自然知识和

设计原理开辟了一条新的途径，是寻找持续解决人

类问题的技术设计原理和策略的交叉学科。它的核

心思想是利用自然界的原理、过程和技术来创造新

产品、新工艺和新策略，以使人类达到长期适应地

球的生存。仿生学促使我们去创造像树叶产生能

量、蜘蛛制造纤维、牡蛎生长陶瓷材料那样的仿生

技术和仿生工程。

目前对于仿生学的研究范围和领域很难予以划

定和区分，其主要原因：（１）　从生物系统获取灵感的范围和数量相当巨大；（２）　相当复杂的协调体系和

集合性功能。因此，要简单地归纳若干仿生范围或

领域是很困难的。一般可将仿生学划定为：结构与

收稿日期：２００４－０６－１１作者简介：杜家纬（１９４１—），男，研究员，博士生导师。文章编号　：１００４－０３７４（２００４）０５－０３１７－０７

·研究动态·

材料、机理和能量、行为与控制、信息传递与传

感器、生殖与生命活动等覆盖面较大的领域。

２０世纪９０年代，仿生学正以令人吃惊的程度影响着从地毯产业直至计算机芯片制造商。世界各

国企业家、产品设计师和科学家目光都将转向自然

界，探索新的技术和设计原理，以改进现有的产品

和发展完全创新的技术。目前仿生学也正以意想不

到的速度渗入生命科学，揭示生命活动过程的奥

秘，从中获取新材料、新技术和新工艺的启示。

２　来自生命活动的启示自从有了生命之后，自然界生物体就面临和解

决形形色色的环境压力和生存问题。生物界在进化

压力下经过亿万年的进化才造就现在我们所看到的

优秀性状、形态和生命活动过程。人类则是从这些

生物的特殊能力中获得启示，受这些形态、模式和

结构的启迪，使人类能够得以创新。生物体的生命

活动过程为科学领域提供了技术创新的无穷灵感。

太阳能在植物中以化学形式贮存几乎是百分之百的

效率，动物肌肉是一种最有效的机械马达将效率的

控制、信息的传输发挥到非常精确的程度。生物界

利用的机理、过程、结构和材料是人类技术和工程

巨大的宝库。２．１　新原理与新技术的发现　表１列出了生命科学

中的若干仿生的范例［２￣５］。从这些范例中可以看出许

多重大科学技术原理的发现都源于科学家对自然界

和生命活动的探索。例如美国Ｉｒｉｄｉｇｍ公司通过研究

蝴蝶双翅的显微结构发现这种显微结构能使光产生

闪烁的色泽，而研制出一种利用光产生干涉光原理

的ＩＭＯＤ元件，它能展现类似自然界的结构色泽。

Ｉｒｉｄｉｇｍ公司所研制这种由ＩＭＯＤ元件组成的显示屏318生命科学第１６卷

能像蝴蝶翅那样产生同样的色泽效果。　由于ＩＭＯＤ

元件并不含有色素，因此，屏幕色彩就比较稳定，在任何光线条件下显示器的图像都可以清楚地显

示，是目前图像视频的最理想显示器。该公司所设

计的这种新型显示器能与目前所有硬件和软件兼容，所显示的图像和文件非常清晰（图１）。

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Ｗｅｉｚｍａｎｎ科学研究

所宣布由Ｅｈｕｄ　Ｓｈａｐｉｒｏ博士所领导的研究小组已经表１　生命科学中的若干仿生范例［２￣５］　自然界的原理相对应工程技术应用范围　自体细胞心脏瓣膜人造器官　植物结构与呼吸机理汽车电池设计汽车工业　猫爪和蜘蛛网结构汽车轮胎设计汽车工业　苍蝇嗅觉器官高灵敏气体分析航天和环境保护　机动蛋白分子马达医药工业　ＤＮＡ运算和识别专用高速计算机　蛛蜘丝人造纤维合成工艺纺织业　海洋生物维纳斯花篮光导纤维制造工艺信息产业　发光细胞探测致病的病原体医学诊断，环境监测　鲨鱼皮结构抗阻力表面结构设计飞机和造船工业　蜂巢和龟背形态结构柔顺洗涤原理洗衣机工业　水母耳朵结构与功能次生波接收原理风暴预测仪　幼虫皮肤与构造运动原理机器人设计　虹膜纹理结构身份识别技术防伪技术　变异生物蛋白纳米微电路生产工艺纳米技术　昆虫的羽化过程天线伸缩装置原理航天技术　动物神经系统信息处理和识别人工智能　毒蛇热敏蛋白微型热传感器军事工业　硫化锌量子点结合的病毒高度有序的三维纳米结构光学，电子学和磁性材料　莲花叶的超微结构保洁工程汽车工业，墙面防污，用具等　豆类蛋白质分子机械马达医学，人造肌肉　叶片结构与收折功能卫星天线航空航天业　转基因苔藓生物制药技术制药工业　植物光合作用能量转换太阳能装置　植物的病菌感染药物输送原理制药和基因治疗　植物叶的伸缩功能天线的伸缩原理卫星和航天工业　植物基因树酯的生物合成技术树酯工业化生产工艺

图１　蝴蝶翅超微结构模拟图（左）和ＩＭＯＤ显示器的仿生结构（右）图片取自ｗｗｗ．ｉｒｉｄｉｇｍ．ｃｏｍ321第５期杜家纬：生命科学与仿生学

为“ｆｏｒｉｓｏｍｅ”的能对钙离子浓度的很小变化的反

应而产生较大的动力，这将是设计一种新型的分子

微电机的原理。

２．３　我国拟解决的若干工程技术问题　在当代现代

科学和工业技术中，信息的利用和控制是当前工业

技术发展中的一个主要矛盾，如何解决这个矛盾，

生物界提供了有益的启示。生物系统所展现的功能和所要解决的工业技术之间有着很明显的相似之

处。这些相似之处可以表现在对生物系统研究的不

同水平上。由简单的单个细胞到复杂的器官系统

（神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过

程。２１世纪是生命科学的时代，也正处于一个各

种自然科学高度综合起来和互相交叉、渗透的新时

代。仿生学是一座科学研究方式的桥梁，将生命科

学与仿生学连接起来，解决我国拟解决的若干工程

技术问题（表２）。

在汽车工业中轮胎花纹和形状的设计非常重

要，必须具备与地面的摩擦性和抓地性能较好的性

能。最近，德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的结构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。采用这种全新概念的轮

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。根据新原理所设计的汽车轮胎将对世界和我国的轮胎产业产生很大的冲击力。　又如英国

ＦＭＣ公司最近公布了一项新技术发明专利，该项发

明使汽车燃料电池的功率增长１６％，而制造价格却

随之下降，功率还有很大提高的余地。这项发明使

得燃料电池商业化进入市场变成现实。这项发明是

根据动物肺部和植物叶子呼吸的原理设计而成的，

在电池电极板的设计上模仿了这种大量分布的通道和许多很细的毛细管的结构，使电极板带有大量的

流向分叉，这是分布反应液的最有效方法。这种结

构降低了压降，　保证电池所产生的气体能顺利排出，

使燃料电池具备更大的功率。这种设计或许对我国

电动自行车的蓄电瓶设计有参考价值。

２００２年，德国米勒（Ｍｉｅｌｅｓ）公司推出一种新型

的洗衣机，其内桶表面结构是由Ｍｉｒｔｓｃｈ教授根据

蜂巢和龟背壳形状所设计，他说：不是从仿生联想

而来，我们决不会设计出这种结构形状的洗衣机。

新设计思想的洗衣机的洗涤过程具有非常柔顺的特

点，而所洗的衣服特别干净且不易损坏。这类利用

仿生学的原理所设计的洗衣机将是对目前世界洗衣机产业的巨大挑战。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埸份额，值得深思。

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，提出了人造纤维的生产技

术的重大变革。这也将在本世纪对现有纺织业产生表２　我国拟解决的若干工程技术及其自然界启示拟解决的工程技术问题自然界的启示光传输系统海洋生物－维纳斯花篮生物医学材料及体内植入物和人造器官动物器官与功能农林牧渔业动植物基因工程产品动植物的特殊功能发酵工程关键技术及重大产品微生物的特殊功能医药新剂型动植物受细菌感染机理新型医用精密诊断及治疗仪器动植物的特殊功能及原理膜工程技术细胞膜的功能轮胎设计和生产技术动物运动行为，运动器官形态结构新型传感器蛋白质功能，动物嗅觉机器人及机器人自动化生产线动物行为及其功能性结构与形态新能源和可再生能源植物光合作用，植物次生代谢途径航天航空航海技术昆虫和鱼类的运动性结构与功能高性能电池及材料光合作用环境与污染源监测仪器及自动监测系统动植物的解毒机理新型墙体材料植物叶面自净功能复合超细短纤及系列化产品蜘蛛丝新型计算机设计ＤＮＡ322生命科学第１６卷

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（Ｓｅａ　Ｓｐｏｎｇｅ）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Ｌｕｃｅｎｔ　半导体公司Ａｉｚｅｎｂｅｒｇ博士

等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指数，具有相当出色的信号传输能力。而这种针状物却不易断（这是利用光导纤

维通讯的主要问题）。难能可贵的是这种天然纤维

是在海洋温度下形成的，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［１２］。

建筑业和军事装备研究中对能沿垂直表面自动

爬行或运动的机械附着机理研究具有极大的兴趣，

因为这类自动机械在城市高层建筑表面清洁、救护

和空间探索等方面具有巨大的市场。为了解决此类

科学技术问题，科学家们对一种壁虎　Ｔｏｋａｙ　ｇｅｃｋｏｓ

能在墙上自由爬行，不用胶液或虹吸方式，产生巨大兴趣。　最近，加州大学Ｌｅｗｉｓ　和Ｃｌａｒｋ学院的

Ａｕｔｕｍｎ等［１３］检查了它的足部，发现其足底长着约

５０万根仅显微镜能看见的刚毛，每一根刚毛的尖端

上有上百个极细的匙形衬垫。这种动物还具有一种

独特的足趾伸直和弯曲使它很快能附着或分开的行

为，当足移动时，会有每秒１５次动作，这样一来

可达到６００倍高的附着力，很难将其足从表面上挪

开或取下。研究者还发现另一个有趣的特性是这种

足具有自净行为，测定了它的一个足的粘着力，然

后排除了摩擦力和虹吸作用的机理的看法。推测这

种壁虎足部的附着力是依靠足部几十万根刚毛的巨

大表面积和微细刚毛间的分子相互作用。该项研究的商业价值很大，用不了多久就可以制造设计出一

种可适应各种表面结构的新型附着器。

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