仿生学的科学意义与前沿——仿生材料与微系统，本文主要内容关键词为：仿生学论文,意义论文,科学论文,材料论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
迄今，人类赖以生存的地球已有四十六亿年历史，自然界中的生物也伴随经历了漫长的演化历程。大至生命体小到生物分子均经受了自然界严格的筛选，优胜劣汰，适者生存。如今，在存活的物种里，生物系统能够高效地利用自然，与自然和谐统一。
几十亿年的进化历程使得自然界生物体的某些部位巧夺天工，在长期的生命进化过程中，生物合成了种类繁多、性能各异的生物材料来适应环境，维系自身的生存与发展。例如甲壳虫可以将糖及蛋白质转化为质轻而坚硬的外壳用来保护自身柔弱的躯体；蜘蛛吐出的水溶蛋白质在常温常压下可变成比钢丝还要坚韧的蛛丝，建造栖息的场所和捕食的工具；鲍鱼利用海水中的钙离子结晶形成保护自己的外壳，其强度两倍于高级陶瓷。这些生物材料的优异性能引起了人们极大的兴趣和好奇，科学家们深入研究了这些生物材料的结构特征，并将得到的经验、成果用于已有材料的改造和新材料的开发。例如根据仿生蛛丝制造的蛛丝纤维防弹衣，其防御能力大增，且质量很轻，便于穿戴。于是，一门崭新的学科——仿生材料学应运而生。
仿生材料 仿生材料学是仿生学的一个重要分支，它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。众所周知，地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。无论是跳动数十年都不会停息的心脏，还是萤火虫体内瞬间闪烁的荧光物质，它们都是由糖、蛋白质、矿物质及水组成的。然而，这些基本“元素”一旦有机地组合在一起形成特定功能的生物复合材料后，例如牙齿、骨骼、昆虫体的角质层和贝类的外壳等，它的结构便会变得那样精妙绝伦，性能又是那样的优异。仿生材料学自诞生以来就获得了迅速的发展，特别是发达国家近年来更是投入大量资金和人力抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进步。例如在天然生物的层状结构特征及其仿生材料和非层状结构特征及其仿生材料的研制方面，以及动物的毛皮状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范例。人类研究仿生决不是简单的模仿，而是学习自然界生物精妙结构后的再度升华。科学家对蝴蝶身上鳞片能对阳光照射下调节体温的仿生使人造卫星在宇宙运行时保持内部温度的稳定以保证其中机器的正常运转，解决了航天事业中的一大难题。美国军事专家仿甲壳虫喷射自卫原理研制了威力强大的二元化武器；模仿萤火虫发光原理制成的冷光源使发光效率提高了十几倍；对苍蝇复眼能在360°范围内看到物体的仿生，制成了一次可拍摄1300多幅高分辨照片的蝇眼照相机，在军事、医疗、航天获得广泛的应用。单是昆虫材料的仿生就有蝴蝶、蜻蜓、甲壳虫、苍蝇和蜂类的仿生。从材料仿生到整体系统的仿生，制成了许多首先在军事领域和特殊环境下应用的材料和装置。
微系统 生物系统中微观结构的控制是极为普遍和复杂，这对现代工程学来讲还是可望而不可及。海鳗的发电微系统瞬间可以发出800伏的电压，足以电死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，而是蛋白质的分子集合体。深海里的软体动物，其身体无疑也是由细胞材料所构成，但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。许多动物如昆虫和警犬，它们发展成与其生存环境相适应的具有特殊构造和功能的微系统。这些微系统对气味的嗅觉灵敏度要远远高于现代最精密的传感器。这些例子充分说明，生物体的某些器官的微结构是非常值得深入研究的，从而促进了仿生微系统研究的发展。将仿生材料进行集成和器件化设计，就可以得到类似于某种生物功能的传感器或仿生微系统，如电子鼻等。
仿生传感器是采用固定化的细胞、酶或者模拟酶，以及其他的生物活性物质与换能器相配合组成的传感器，是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的技术集成。仿生传感器按照使用的介质可以分为：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器等等。
目前，虽然已经研制成许多仿生传感器，但其稳定性、再现性和可批量生产性还明显不足，所以仿生传感技术尚处于幼年时期。可以预计在不久的将来，模拟生物体功能的嗅觉、味觉、听觉、触觉仿生传感器将不断出现，有可能超过人类五官的能力，完善目前机器人的视觉、味觉、触觉和对目的物进行操作的能力。这在军事、疾病防治等领域具有重要的意义。有的生物传感器可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存的地雷、炮弹、炸弹、导弹等的数量和位置，它将成为实施战场侦察的有效手段。
仿生微系统属于一种先进的微纳米科学。仿生微系统对材料和材料的连接特别敏感，在一般马达和传动系统中，一旦运动起来，就有惯性运动。而直径仅几百微米的马达则不然，尺寸减小惯性减弱，表面摩擦力增大而最终占主导地位。在仿生微系统中，微电触点所导致的接触电阻可能会对仿生微电子器件产生极大的影响；微尺度光学趋向于多个光学元件和光路集成在一个基体上或芯片上，如激光光源、光波导、调制器、滤波器、开关和检测器等。仿生微系统是在微电子工艺的基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、光学工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、生物学、医学等学科。微系统的发展将大大地促进许多产品的集成化、微型化、智能化，成倍地提高器件和系统的功能密度、信息密度与互连密度，大幅度的节能降耗。仿生微系统以其微小的体积，独特的性能，必将在微机电系统、微光学系统、能量转换、仿生固氮等领域发挥积极的作用。
大自然的仿生资源是一座取之不尽、用之不竭的知识宝库，是人类智慧和创新的源泉。有位著名科学家说过：“按原子逐个排列——这就是大自然设计和制造物质的方式。如果能在原子水平上进行设计，就能根据需要制造出任何材料。”随着科学的发展，科学的设想将会不断地变成现实，仿生材料和微系统在21世纪将为人类做出更大的贡献。