仿生制造技术论文

鲨鱼皮肤－泳衣 一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。 海蜇－水母耳 每当风暴来临前，最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知，早早就离岸游向大海避灾。原来，海蜇有个“顺风耳”，其“耳”（细柄上的小球)中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为8赫兹-13赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）。 模拟海蜇感受次声波的器官，科技人员设计出一种“水母耳”仪器，可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上，喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹－13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。 仿生成果走向产业 京沪两地科学界级别最高的“香山科学会议”和“东方科技论坛”最近联合就仿生学召开学术研讨会，此举在科学界引起不小震动:为何给予仿生学如此高规格？ 缘自国际科研和高新技术产业的竞争态势。越来越多的科学家认识到：模仿自然更有无限的潜力和机会，更有可能提升原始创新的能力。 人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的设计可能性，也可能带给我们新的生存方式，仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式。10年前，许多国家就开始通过仿生学，提升科技创新活力和产业能级。在美国，有一项长期研究计划与仿生科技紧密相关，其优先发展的先进制造、先进材料和先进军事装备等，不少是从模拟与仿真入手；德国研究与技术部已就“21世纪的技术”为题，从仿生学出发，在电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力；英国、日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的仿生科技和仿生产业中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。 仿生成果已不断涌现，并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍，这些仿生学成果应用于经济、军事和人类卫生事业后，在全球经济中所创造的份额会越来越大。如德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的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，其表面的柔软性和硬性网状结构设计，具有较大的抓地性和运行精度，增加了轮胎与地面的摩擦力，使刹车距离从现在的19米缩短为9米，大大提高了安全性。这种轮胎已完成了实地试验，一旦投产，对世界轮胎业产生的冲击可想而知。又如，德国米勒公司新设计的一款洗衣机内桶表面结构仿造蜂巢和龟背壳形状，所洗的衣服非常干净，但洗涤过程却非常柔顺，不伤衣料。据统计，我国每年洗衣机更新量为500万台，有关专家已经担忧，一旦这种仿生洗衣机进入市场，将大大挤压我国的洗衣机市场。 将仿生研究纳入国家战略 机器人、纳米自洁涂料、生物农药……仿生科研在本市和全国其它城市的不少领域已有开展，但始终难以形成规模产业，缘于仿生学缺乏系统的研究规划和研究体系，因此源头创新性研究还远远不够。为此有关专家认为，科研主管部门、科技界和产业界都应转变观念和视角，从模仿国外转变为模仿自然，向大自然汲取科技创新的灵感。 据了解，我国当前优先发展的高技术产业化重点领域共有141个方面，其中将近有30个领域与仿生学相关。例如:光传输系统，生物医学材料及体内植入物和人造器官，生物反应器及分离技术与成套设备，医药新剂型，新型医用精密诊断及治疗仪器，新型材料－纳米材料，膜工程技术，子午线轮胎生产技术及关键设备和原材料，新型传感器，工业机器人及机器人自动化生产线，环境与污染源监测仪器及自动监测系统，高效、安全新农药、兽药及生物防治技术，新型墙体材料等。由此可见，加强仿生科研和仿生成果的转化，将使我国的高新技术产业的质与量都产生飞跃。 杜家纬介绍，21世纪的仿生学，正朝着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展，更多地表现为将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去。当前仿生结构和力学的研究在国际上受到高度关注，研制微型飞行器，机器昆虫和机器鱼等正形成热潮。在新材料研究方面，世界各国也都将目标放在模仿生物界的结构，如海洋壳类构造、蜘蛛丝、植物表面超微结构、动物角趾皮肤等等。 仿生学是多学科的交叉，需要多学科的专家，尤其是生命科学家和工程技术专家的共同关注与参与。专家呼吁：要将仿生学的发展放在国家重要战略地位加以考虑，把握21世纪国际仿生学的发展方向和前沿，加强原始创新研究，从仿生结构与力学，仿生材料与微纳系统，仿生功能器件及控制，分子仿生，神经和信息科学等五大“仿生科学与技术”系统性基础研究方向，建立复杂生物体系的研究与发现体系。在仿生材料,仿生工艺，仿生机械，仿生功能器件，微纳米仿生技术，仿生传感器，基因仿生工程，组织仿生工程，生物膜仿生工程和人工智能等10个前沿领域，加强仿生研究和产业孕育。

“人类应该学会如何从生物界学习，而不是单纯知道关于生物界的故事。生物模拟学给我们提供了获取自然界灵感的机会，接触这些自然界的精灵，不只是让灵感围绕在我们身边” 从地球上有了人类之初，人类就与生物界成为不可分割的连体婴儿。地球上多姿多彩的各种生物，一直与我们共同呼吸。过去，许多人认为人类和生物界是相分离的，人类是人类，生物界是生物界，同时认为，人类去研究生物界是为了保护它们，为了更多地知道它们曾经的故事。随着时代的变迁、环境的变化，人类逐渐发现，生物界能够教给我们很多东西，仅仅认识这些生灵是不够的，与它们共处一室，不仅是为了研究，而是要从它们那里学到东西，以能够应用到人类的生活中。于是“生物模拟学”诞生了，这是一门依靠自然界汲取灵感、从而发明创新的学科，在这门学科里有一个永恒的老师——自然界。 Janine Benyus，澳大利亚生物模拟机构主席，在她著作的7本书中，有一本名为“Biomimicry：Innovation Inspired by Nature”，第一次为“生物模拟学”准确定义，成为世界上第一位给出“生物模拟学”概念的自然科学家，同时她也肩负着各大企业创新顾问的角色。与她共事的企业，从IT界、消费品行业到重工业行业，五花八门。但他们的目的只有一个，如何从各种生物那里获得创新的灵感，为自己的企业打开新的思路。 “许多人习惯性地站在外部的角度来审读生物界，我不同意这样的做法。在我看来，每个人都是生物学上的有机体，没有区别。”Janine Benyus对英文的“Nature”一词做了解释，她反复强调，自己所指的这个“生物界”是个广泛的概念，与其他生物相比，人类不过是更优雅地生活在这个星球上罢了。 细菌通过自我重建的方法，在38亿年前让地球上有了生命。而人类，不过是各种细菌慢慢变成生物演化而来，在以后的几亿年里，不断创造奇迹。“其实，当我看到科学技术迅速发展的今天，总忍不住去想，什么样的科技才能够适应今天变化的社会？或者说，什么样的产品和制造过程是有适应力的？99%的生物濒临绝种，因为它们给自己制造的产品或者制造过程不是最适合的。” 不过，生态环境的不断恶化，促使企业在创造各种社会价值的同时，又多了一个新的角色：超越现有的商业规则，引领未来的绿色、节能的经济发展趋势。许多科学家也为这个问题绞尽脑汁，诸如帮助企业改进自身社区的生态环境、加强环境监控，而这一切在Janine Benyus看来，这种“表面功夫”无法根除企业在创造价值的同时带来的弊端，对企业而言也是在不断地增加成本。她认为，生物界有无穷的奥秘可以让大家探索，并带给人们惊喜，“当我看到动物们如何适应它们的家园时，我就想我们中间的领导者是怎么诞生的？” 作为一名技术人员，要抛弃过去“加热、击打和处理”的常规工艺过程，转而钻研在生物界里什么样的作品重要而持久。例如，陶瓷工艺制造业要模仿鲍鱼壳自我重组的能力，能够自我修复；观察壁虎的脚如何爬墙不掉时，给粘连剂的制作带来启发；计算机芯片从植物结晶的原理上找到灵感等等。更重要的是，这诸多的“发明”逐渐给环境和企业的生产工艺带来变化。1998年，她重建了“生物模拟研究协会”，同时提供了适宜企业借鉴的生物模拟学原理。犀牛角可以自我修复，虽然这个修复的过程并没有完全研究透彻，但它却好比一个福音，督促每个企业去观察自己的内部结构，明白当外界环境更改时，自己的内部有哪些节点是可以活动的，可以利用这些节点的活动，快速更改自身，适应新的变化。 在她看来，一个懂得合理环保、可持续发展的企业，就像一个企业中强有力的领导者，必然成功。在生物材料领域，人们总是想尽办法寻找高价值的材料。比如医学界，医药制品公司研制了蚌类黏合剂，用来连接受伤的关节或其他外科手术，但价格十分昂贵。后来，利用模拟仿生技术，制造出非天然的蚌类黏合剂，现在，这种黏合剂就像组合板一样普遍如果越来越多的企业能够接受这个观点，并把它带入未来的生产中，我们将看到商业领域革命性的变化。更多高效能的产品却更便宜，使用更少的能源；设计人员和工程师们将更多地学习生物模拟方法论，并让它转化为自己日常工作的工具之一。当他们遇到头痛的难题时，会对自己提个问题，“自然界会怎样解决这个问题？”于是，更多的好产品会层出不穷，甚至我们都无法想象。 的确有诸多跨国企业已经领先介入了这个领域，GE就是个好例子。我与他们的设计师一起工作，一个绿色的创新计划正在研发。这需要比较大的投入，在2010年前会投入15亿美元用来研究环境改造技术，如风力涡轮机、混合型内燃机车、太阳功率、低耗能飞机发动机等。 沃尔玛也是个典型。2005年，沃尔玛宣布了三个环境保护的目标：“百分百供应可再生能源；创造‘零’废品；售卖的商品是对我们的能源和环境有益的。”并承诺在接下来的十年，只售卖可再生能源，并让他们的卡车调度实现双倍燃料节能。紧接着，沃尔玛要求放弃供应塑料购物袋，改为生产环保购物袋，并要求在全球70个国家的连锁店也这样做。