仿生材料的进化:开启全新的仿生时代

仿生材料是一种“活”的材料,她可以通过吸取多种来自不同生命结构(形似)或是功能(神似)上的仿生灵感来不断完成进化,形成超越自然进化的结构和功能的组合。现代飞行器的发展就遵循了类似规律,它的机翼曲线模仿了鸟类翅膀的流线型外形,以降低空气动力阻力。通过模仿蝙蝠的基于超声波的探路系统,现代飞行器采用雷达导航系统作为其行驶过程中的“眼睛”,确定目标躲避障碍。通过模仿鲨鱼皮肤上具有适应性的微米/纳米复合结构,飞行器表面的涂层可以帮助降低摩空气擦阻力,并且减小紫外线照射的损害。

最近,由中科院理化技术研究所郭维,江雷领导的研究团队结合他们多年的研究基础,以纳米流体中的能量转换为例,介绍了仿生材料体系的进化过程。人工纳米流体器件中的能量转换源自于对电鳗(electric eels)超强生物电转换能力的模仿,目前,它已经完成了三代最主要的结构和功能上的进化。一方面,在小尺度上,通过对生物离子通道的模仿,固体材料中的一维纳米孔道从圆柱型转变为圆锥型的非对称结构,从而获得了单向跨膜传输离子的能力,并且结合进一步的化学修饰,固体纳米孔道获得了更为丰富的刺激-响应特性。另一方面,面向实际应用,需要对单一的纳米孔道进行大规模和跨尺度的集成。受贝壳的层状结构启发,仿生离子通道由一维的直通结构进化为二维的多层膜结构。二维层状材料提供了一种大规模、 低成本、 更为高效的纳米孔道材料制造技术,向实用化迈出了重要一步。

仿生材料经过多年的积累,完成了对生命体系多个层面的模仿和逐步进化。迄今,现有的仿生材料为构筑人造生命体系提供了丰富多彩的“血肉”,她们可以看作是人造生命系统的制动器(Actuators),用来在感受外界刺激后,执行相应的功能。我们将这一仿生材料蓬勃发展的时代称为 前仿生时代。当下,随着脑科学,人工智能等领域的发展,对仿生材料的进一步演化提供了新的发展方向,人造的仿生体系也可以具有“智慧和灵魂”(Intelligence),由被动地响应刺激,转向主动地发现问题,分析问题,解决问题。这一发展方向为更多,更广泛的学科交叉提供了平台,也是后面二十年,相关领域的科研工作者的努力方向,并由此开启一个崭新的后仿生时代。

相关工作发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201702773)。

Speak Your Mind

*