自然灵感催生新材料

各种生物都有着设计精良的结构，化学家乔安娜·艾森伯格（Joanna Aizenberg）到深海和森林湿地去寻找灵感，制造出可能改变世界的新材料。

 

 

    当你进入哈佛大学教授乔安娜·艾森伯格的办公室，首先注意到的会是一堆玩具。在她的办公桌后面，是一个饼海胆（sand dollar）、一个装在盒子里的天蓝色蝴蝶、一个按开关就会迸发出彩色纤维丝的塑料架和几排杂乱的玩具。最多的是魔方，其中有经典的3×3魔方，还有每条边上有4、5、6甚至7个方块的魔方。这将是一个8岁孩子的天堂。

    52岁的艾森伯格每天都会解答一些数学题来消磨时间，但没有人会质疑她的认真态度。艾森伯格出生于乌克兰西南部一个边境城市，在莫斯科国立大学获得了化学硕士学位。当时，俄罗斯学术界对女性和犹太人有明显歧视，艾森伯格为了摆脱这种歧视，在1991年前往西方国家，开始了一段辉煌的职业生涯：作为一名生物工程学家，她致力于弄清生物体的构造，学习大自然的巧斧神工，并应用到自己的工作中。她同时任职于哈佛大学工程与应用科学学院、拉德克利夫高级研究学院（Radcliffe Institute for Advanced Study）和哈佛大学耗资1.25亿美元新建的维斯研究所（Wyss Institute）。哈佛大学创立维斯研究所的目的，就是要从生物体中获取灵感，用于工程设计。

    艾森伯格以玩的心态工作，带着孩童似的不羁性格，横跨多个传统科学领域。她最为人称道的工作，或许就是与生物学家合作，在从海底深渊捞出的生物体中探索非凡的工程学原理。此外，她也会和化学家、艺术家、物理学家及玩具设计者一起工作——或者说，一起玩。

 

 

 

《科学美国人》：你为什么从自然界中找灵感？
艾森伯格: 每次我观察一个生物体时，看到的都是一个设计巧妙的新样本。自然界进化出了很多有趣的设计策略，创造出了高质量的材料和结构，而这些都是科学家没有注意到的。
    举个例子，海蛇尾是海星和海胆的近亲，有很硬的外层，人们以前认为它看不到东西。但是，我们发现海蛇尾的部分骨架覆盖着“透镜”，通过这些透镜，就可以看到硬壳之外的东西。白天，它往透镜里面输送深色色素，限制光线进入，而到了晚上，则把色素收回体内。海蛇尾像戴着太阳镜，这些太阳镜的“镜片”比人类制造的好很多。这说明一个很重要的原理：在生物中，材料经常集多种功能于一身。外壳作为骨架有很好的机械特性，但同时也具有光学性能。从工程师的角度看，这些功能几乎各不相关，但海蛇尾却可以把它们融合在一个单一结构中。
    我们的工作，就是研究有趣的生物系统，只不过是从物理学家的角度来研究。通过这种方法，我们将能设计出改变世界的新材料和设备。

 

《科学美国人》：你能讨论一下关于深海海绵的工作吗？
艾森伯格：有关深海海绵的一切都非常神奇。它们生长在海底，有玻璃骨架。通常，人们需要2 000℃的高温来制造玻璃，但不知为何，这种生物在环境温度下就能合成玻璃纤维。
    在海绵的基部，也就是附着到海床的部位，有一束细线，这些细线几乎像完美的光纤一样工作，引导光线从一端传到另一端。我们在60年前才发明光纤，而自然界早在5亿年前就用同样的原料制造出了这种光学材料。
    但是，海绵生活在黑暗中，它为什么要制造这样一种精密的光学纤维系统？研究证实，海绵是以共生的方式生活。发光细菌生活在海绵上，它们发出的光通过纤维照射出来，就像是一个灯塔，吸引黑暗中的其他生物。海绵体内还生活着两只虾，对它们来说，海绵就是一个有灯光的玻璃房子。两只虾会吃掉所有被光吸引过来的生物，虾排出的代谢物就是海绵的大餐。这是一个完整的共生系统。 

《科学美国人》：你是怎么找到这种海绵的？
艾森伯格：有一次，我在美国旧金山参加一个学术会议，体会期间我去逛了一家珠宝店——我对逛商店很上瘾。店里就养着这种海绵，在黑暗的角落里，海绵的所有纤维都发着光。整个海绵都那么漂亮。我拿起海绵，然后做了我喜欢做的事情：与海洋生物学家合作。
 
《科学美国人》：你认为我们可以从这种生物体中学到什么？
艾森伯格：深海海绵给我们上了一课，教会我们应该怎样改进本身就不大牢实和易碎的材料。玻璃易碎，但海绵完全不是这样，你用脚踩它，它都没事。
    自然界同时采用了多种设计方案，来构建海绵玻璃结构：首先是把玻璃纤维结合在一起，制成叠层材料（laminated material）。这些材料进一步编结成束，这一束束玻璃纤维又会彼此连接，形成方格，而后这些方格再被玻璃纤维所包裹。这实际上是一个玻璃套玻璃再套玻璃的结构，但海绵用玻璃纤维制造了很坚固的材料，这种材料克服了玻璃的天然易碎性。
    你也可以把海绵看成一个绿色建筑，在它表面有很多错落有致的窗户敞开着。看到这种结构，我就会想，可否建造一个每隔十层就完全敞开的摩天大楼，这样就可以获取风能了。

 

《科学美国人》：对工程师来说，探索自然界的好处是什么？而潜在的误区又是什么？ 
艾森伯格：在复杂的技术问题上，自然界可以为工程师提供多样化的解决方案，但不是所有方案都实用。有时，我们从自然界得到方案后，可能会发现该方案所需的材料和能源成本极高，根本无法采用；有时，自然界提供的方案可能和工程师目前所做的一样，或者稍差一点，但成本低得多。因此，自然界提供了一系列有趣的方案，可供我们去探索。
    但我们要谨慎。可供自然界选择的材料非常有限。例如生物没有钢铁，而我们有。所以我不喜欢把我们的领域称为“仿生学”（biomimetics），因为我不想去模仿生物结构。我宁愿称我的研究领域为“生物启发工程学”（bioinspired engineering），因为我所做的工作是从生物构造中获得概念性的东西，不是特定的解决方案。换句话说，我不想去创造一个海蛇尾，而是制造一种有透镜的房顶材料，可以收集光线，并且机械性能稳定。我没有用海蛇尾的材料，但确实“偷学”了它的设计策略。
 
《科学美国人》：为什么自然界会是如此成功的工程师？
艾森伯格：生命在于行使功能：不管是分裂、自我修复还是产生各种生命物质，生命体都得通过有效的解决方案来应对这些挑战。自然还有一个很大的优势：经过数以亿年的演化。人类没有那么长的生存时间。还有一点是，在自然界中，适者生存，别无选择。如果你是一个三流“工程师”，你将会从这个世界消失；你犯了错，就会死去。
 
《科学美国人》：你成为科学家是不是受到父母的影响？
艾森伯格：我父亲是一个设计和建造桥梁道路的建筑工程师。我母亲是一个传染病医生。他们在很多方面启发了我。20世纪50年代，当斯大林禁止任何遗传学相关的工作时，我母亲正在苏联的一个医学院读书，她领导一个学生小组，定期会面研究DNA。她很勇敢，是我所知道的意志最坚强的人。
    我小时候患有小儿麻痹症，双腿有段时间是瘫痪的。母亲花了很长时间跟我交谈，向我描绘窗户外面的世界。“看看树木是怎么生长的，会长成什么形状，”她会说，“水流过时，它们是以什么方式流动的。”这些真的很奇妙。
 
《科学美国人》：你是怎么对化学产生兴趣的？
艾森伯格：可能你会觉得奇怪，我小时最喜欢做数学题。中学时，我还从一家杂志社挣了些钱：为其他学生设计数学题。等我上了莫斯科国立大学，经常和数学系、物理系及化学系的人交流。和他们的讨论中，我得出结论：数学只是数学，物理学只是数学和物理，而化学领域则要宽泛得多。对于化学，我学的越多，越觉得化学是关键学科，几乎和任何领域都相关。化学是一个奇妙的研究领域。
 
《科学美国人》：你是因为对某些动植物感兴趣才开始研究的，还是一开始就有特定的应用目的？
艾森伯格：我们研究小组对“可湿性”（wettability）感兴趣，所谓“可湿性”是指一种材料对液体的吸引或者排斥程度。我们想设计一个具有可控“可湿性”的表面。15年来，每个人都在荷叶上寻找灵感，因为水很自然地从叶面滑下。但人们已经意识到，把荷叶上的原理运用到实际材料中是一个很大的挑战。事实表明，那些材料太贵而且很容易损坏。
    因此，我们已经转向了另一种自然模型：猪笼草。猪笼草是肉食性植物，它的表面光滑得让人难以置信。如果一只蚂蚁在上面爬，它会滑到花中，然后被困住吃掉。受此启发，我们建造了一个相似的光滑表面。这种材料可以涂在输油管道的内表面，使石油更容易被泵出。对生物医学设备来说，这意味着血液可以很好地流动，而且没有任何细菌可以在设备内生长。这种材料的另一个潜在用途是，涂在墙上以防止涂鸦。涂鸦染料喷上去就会滑下来，这会让那些街头艺术家愤懑不已。
 
《科学美国人》：你认为，在未来几十年，材料科学会有什么变化？
 艾森伯格：现在，我们已经知道如何制造坚固的材料和光学材料，但还不知道的是，如何制造出能对环境作出反应的材料，比如可以自动改变自身特性、能够自我修复、必要时还可以变化外观的材料。我们需要可以做出可逆性适应变化的材料。
    例如，我们有一种可以制作“智能”衣服的材料，它会随着湿度自动变化：当外面很干燥时吸收水分，在下雨时排出水分。适应性材料将会有很多用途。如果天气很冷，窗户可以把任何可利用的热量吸收到房间里；在炎热的夏天，窗户又可以反射太阳光，使房间更凉爽，这将是多么美好的一件事。
    制造出这样的材料是21世纪的一大挑战。
 
《科学美国人》：研究自然界这么久了，你是否对自然界另眼相看？
艾森伯格：我认为是的。我对各种事物的运行模式特别感兴趣。因此，如果我在沙滩上漫步，我会一直盯着海浪，看它是怎么冲过来的。或者，我会一直盯着潮水退去后，在沙滩上留下的痕迹，它们的形状真的很美。我可能会想，这些线条和沙滩或者沙粒直径有什么关系呢？
    我真的热爱海洋，海洋里的生命种类繁多，超出人的想象。而且我确信，我们从每种生物那里都能学到一些东西。

 

 

采访 加里·库克（Gareth Cook）

 

 

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