| 背景：我们羡慕鸟儿，更要用我们的智慧向鸟儿学习“飞”；我们羡慕鱼儿，更要研究它的“游”……从大自然的杰作中得到启示、寻找真理，自古有之，也正是人类的聪明之处。自然界生物的神奇来自于亿万年的选择进化、优胜劣汰。例如尽管贝壳的基本组成单元很平常，只是碳酸钙和磷酸钙等最常见的材料，但因为有了适应其环境及功能需要的结构组装，所表现出的材料性能是传统人工合成材料无法比拟的。科技发展到今天，我们就是要深入探讨这种微结构，这种探讨就是仿生学。
大自然是向每一个国家、每一位科研人员敞开的。仿生学作为一门正在迅速发展起来的新兴交叉学科，其在工业设计、提高计算能力和开发新型医疗仪器设备等方面有着广阔的应用前景。我国当前优先发展的高新技术产业化重点领域共有141个方面，其中有30个领域与仿生学有关。例如光传输系统、生物医学材料及人造器官等，可以说仿生学研究和仿生科技的发展将直接影响我国的科技水平和产业发展。面对这样一个自然宝库，加强仿生学研究成为一种必然选择。
小贝壳也有大功能，贝壳的坚韧性是人工合成碳酸钙材料的上千倍
记者：贝类常见，贝壳在海边更是随处可见，由于形态各异而受到我们的喜爱，而在科学界把贝壳作为一种研究对象，到底贝壳哪些地方值得我们关注？
宋凡：不要小瞧了贝壳，小贝壳也有大功能。正是这些贝壳给现代科学研究带来了许多深刻启示！贝壳的形貌包含着许多的几何曲线，如我们熟悉的各种螺旋线等，这些曲线极大地丰富了数学家的研究视野。同时，其形貌也给建筑学家的设计思想以极大的启迪，成为现代建筑设计模仿的重要目标，于是有了大跨度薄壳式建筑，如著名的悉尼歌剧院。这种建筑，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。这些仅仅是人类领略贝壳神奇的开始，当注意到贝壳内部的微结构以及由此所产生的材料性能时，科学家们更是惊叹不已。
记者：到底发现了什么神奇之处？
宋凡：我们常会有这样的经验，折断一根粉笔比折断一块贝壳容易得多。从化学成分上来说，粉笔和贝壳都是由碳酸钙晶粒构成的。但在力学性能上，两者不可同日而语。同样由碳酸钙构成，差距为什么这么大呢？首先要从两者的形成上认识：粉笔属于人工合成材料，贝壳却是由某些软体动物通过吸收水中的钙粒子进行生物矿化后，生长出来的天然合成材料。就是说，制作过程不同：贝壳的制作过程有生命系统的参与。有人要问，“天然合成”就能合成出好东西吗？是的，借助现代科学手段，科学家发现了两者微结构的巨大差别：贝壳中碳酸钙晶粒有着特殊的有序排列，而粉笔中的碳酸钙晶粒排列是一种无序结构。
记者：这种内部的“有序排列”是贝壳坚韧的根本原因吗？请您给我们详细介绍一下。
宋凡：贝壳作为软体动物的防护装备，主要功用是抗压，防止壳体受损，以致伤及身体。到目前为止，在科学家们已经研究过的上百种贝壳中，共发现了7种贝壳微结构，即柱状珍珠母结构、片状珍珠母结构、簇叶结构、棱柱结构、交叉叠片结构、杂交叉叠片结构和均匀分布结构。在上世纪的70年代，英国雷丁大学的J·D·Currey教授和他的合作者们对这7种微结构的力学性能进行了较为系统的实验研究，结果发现，珍珠母作为一般贝壳中最内层材料，它的力学性能是这7种结构中最好的，尤其在材料的强韧性上表现最为突出。例如，珍珠母所具有断裂功大约是作为它基本成分的碳酸钙晶体的断裂功的3000倍。这一卓越的力学性能，使得珍珠母结构成为现代高性能人工合成材料微结构设计的仿生目标，也使得研究珍珠母的微结构和性能成为当今世界材料仿生设计研究中的一个热点问题，而被誉为“生物矿化研究领域的皇冠上的明珠”。
事实上，我们对珍珠母并不陌生，我们平常见到的那些美丽可爱的珍珠，其构成材料就是珍珠母，或者说，珍珠母就是产生珍珠的母体和材料。珍珠母是一种由有机基质，包括多糖和蛋白质为基体、文石晶片形成增强相的两相间的层状复合材料，其微结构是由一些小平板状结构的文石晶片单元平行累积而成。这些小平板板面平行于贝壳壳面，就像建筑物墙壁的砖块一样相互堆砌镶嵌、层层排列，形成整个珍珠层。这就是在生物材料学和生物界公认的珍珠母著名的“砖——— 泥”结构，它也是令许多科学家赞叹不已的结构。
贝壳内部“矿物桥”微结构是其坚韧的根源，也成为现代高性能人工合成材料微结构设计的仿生目标
记者：看来，弄清楚贝壳的微结构成了仿生取得进展的基础，您和您的科研小组对贝壳的微结构有着独特的研究和发现，这种发现是什么？
宋凡：贝壳中的碳酸钙占总重量的99％，还有1％的蛋白质。1997年，美国加州大学的T·E·Schaffer等研究人员在珍珠母有机基质层中观察到有孔洞存在。基于这一事实，他们提出在珍珠母的有机基质层中，存在垂直于上下两层文石晶片的一种具有纳米尺度的文石晶体结构，这种结构在生物矿化领域被称为“矿物桥”，并由此推测珍珠母的层状“砖——— 泥”结构是通过“矿物桥”连续生长形成的，而不是传统生物学中认为的由钙离子外延沉积生长形成的。但是，他们一直未能获得直接的“矿物桥”证据。
2002年，我们在52万倍的透射电子显微镜下观察并记录到了这种 “矿物桥”结构，为珍珠母结构是通过“矿物桥”连续生长形成的生物学理论提供了有力的支持。我们发现每根“矿物桥”基本呈圆柱形，其高度与有机基质层厚度相同。通过对“矿物桥”的进一步研究，我们发现了“矿物桥”在有机基质层中的几何特征和分布规律，并提出了珍珠母的微结构应描述为“砖－桥－泥”式结构，这一发现现已得到了国际上的广泛承认。可以说，有了“砖－桥－泥”式结构，贝壳及珍珠母最显著的力学性能——— 高韧性就有了基础，我们的“仿生”也就有了目标。
记者：我们进行“仿生”，首要的一点就是先弄清楚生物的特性和内部机理，我们认识了贝壳的内部构造，下一步是否就是要进行仿生——— 人工制造出坚韧性如贝壳的材料？
宋凡：是的，要进行“仿生”就要弄清贝壳的内部构造和性能，那还得继续说说这个“矿物桥”的作用。我们发现，由于贝壳经历了长期的进化，珍珠母中的文石晶片和有机基质在材料力学性能上形成了良好的配合关系。按传统的珍珠母“砖——— 泥”式结构仿生设计的合成层状陶瓷，根本无法与珍珠母的断裂韧性相比拟。研究发现，在合成的层状陶瓷与珍珠母的断裂过程中，虽然它们都会形成沿界面层传播的裂纹，但前者的裂纹长度按本身层厚比例大约是后者的4倍以上。按照断裂力学原理，长裂纹对材料的抗破坏能力的影响极大，严重降低材料的断裂韧性。我们认为，主要原因正是由于珍珠母中的界面层中存在“矿物桥”结构。此外，尽管“矿物桥”只是珍珠母中一种纳米结构，但是它在珍珠母界面中的特殊分布不仅可以增大裂纹阻力，阻止裂纹扩展，而且还能有效地提高珍珠母有机基质界面的弹性模量、材料强度和韧性，这可能是构成现有的仿珍珠母“砖一泥”式结构的人造材料的力学性能远低于天然珍珠母材料力学性能的主要原因之一。
珍珠母作为一种天然矿物陶瓷材料，最显著的力学性能是它的高韧性，这和当前人工合成陶瓷材料的韧性性能不强形成了鲜明的对比。提高合成陶瓷材料的韧性是目前材料学界亟待解决的关键问题，直接关系到陶瓷材料在工业上的使用规模和范围。而陶瓷材料的抗高温、耐腐蚀等材料特性却是普通金属材料不可替代的，但“脆性”也是显而易见的。因此，仿珍珠母结构的陶瓷材料微结构设计和制备自然成为一条最有希望的发展道路，目的就是提高陶瓷的坚韧性，大幅改善陶瓷的性质，而扩展现有工程陶瓷的应用领域。
记者：目前，作为仿生科学上的“明珠”的贝壳仿生有何成果，所形成的仿生材料和天然贝壳比还有多大差距？
宋凡：近年来，生物材料微结构及其仿生设计研究得到了多数发达国家的高度重视。从上世纪90年代以来，美国和英国军方设立专项经费，开展针对贝壳等微结构及其性能的材料仿生设计研究，以期用于增强军方装甲的抗穿击能力。随后，日本、德国、法国等国也相继开展了类似的研究工作。有报道称，到目前为止，美国陆军现用“仿贝壳材料”的装甲已在原来装甲性能上提高了近30倍，但是如果能完全仿照珍珠母的微结构，从理论上说，装甲性能还可以再提高上百倍。我国也正积极展开材料的仿生设计及其相关领域的研究，并已获得了一些很好的成果，其中部分领域甚至达到国际前沿水平。但是总的说来，世界上对材料微结构及其仿生的研究仍处于一个相当初级的阶段。就生物材料本身的研究而言，无论是对微结构，还是对相关力学性能的研究仍然是很不成熟的。特别是对于在生物材料领域中研究最广泛、最深入的贝壳材料而言，是否还存在其他形式的微结构，贝壳宏观性能与其微观结构相对的关联机制是什么等，还存在着很多问题。比如目前面临的最大难题就是如何将陶瓷层厚度减小到尽可能小的尺度，甚至纳米级，如果突破这个难关，强度及韧性则会得到大幅提升。尽管如此，我们仍然可以毫不夸张地说，贝壳是结构和物性完美结合的产物，是大自然献给人类宝贵的物质财富。
“仿生”的领域众多，学科交叉，每一项重大的生物功能“发现”及其技术应用将极大促进科技发展
记者：通过您的介绍，我们比较详细地了解了贝壳仿生——— 这样一个十分热门和重要的仿生领域，也初步领略到了生物的神奇和仿生学的伟大，由此，我们对“仿生”科学产生了兴趣，就请您给我们介绍一下什么是仿生学，如何去理解它？
宋凡：自然界的生物历经亿万年选择进化，造就了许多优异的结构形式和综合性能，而人类作为有智慧的高等生物，早就对自然界的神奇产生了浓厚的兴趣，师法自然自古有之。如我国古代的五禽戏是形体与运动上的模仿、学习。而许多工具和实物的发明创造也由这些启发而产生。例如中国人早在3000年前就开始研究桑蚕是如何生产珍贵丝线；传说中鲁班因上山砍柴被带锋利小齿的野草划破了手指受到启发而发明锯子；鹰击长空，鸟飞千里激起了人类的飞天梦，发明了飞机、航天飞船……现代科学发展起来以后，我们用科学的眼光看待、认识自然生物以后，更加惊奇于生物中蕴含的科学真理和价值，于是产生了仿生学，并成了现实科研的一个最重要的主题。
仿生的英文名字是Bionics，上世纪60年代J.Steele正式提出仿生学的概念，而仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。现代仿生学首先在于 “发现”——— 研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制特征，然后再应用——— 将“发现”用于技术系统以解决人类社会应用上的问题的科学。它既是一门化学、物理学、生物学、数学、工程技术之间的交叉学科，也是一门应用基础和技术开发研究相结合的学科。可以说，仿生既是笼统的也是具体的，说它笼统，可以说它成为科学研究和发展的一个思路、指导思想，这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。说它具体，它是落实到某一学科、某一领域实实在在的科学实验与发现，最后实现新的技术、设计并制造出更好的新型材料、工具等来满足人民生产生活的需要。现代仿生学研究获得重视，标志着对生物体研究从整体到组织器官再到细胞和分子水平的研究，在更高层面上深入到了“形态和功能”水平，仿生学研究所揭示出的更为复杂的生物学现象，以及所阐明的有关机理将被用于解决人类社会更多的重要问题。
记者：生物有千万种，每种生物又有多种特性，所以仿生研究也一定涉及到许多方面，那么，目前的仿生研究主要集中在哪几个领域？
宋凡：目前，仿生学的研究领域可大致分为：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等几个方面。力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，上面谈到的建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行湍流，提高航速。分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾某种化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间便可诱杀雄虫。能量仿生，是研究与模仿生物电器官发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度；根据复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，构造出新型计算机。某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。按结果来说有仿生器件、仿生材料、仿生机械、仿生传感器等；
记者：仿生是很有趣的，您再给我们举几个成功应用仿生学带动我们的科技水平提高、生活质量提高的例子，让我们对“仿生”有个更生动、直观的认识？
宋凡：最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝，人类自古就有很大的兴趣，20世纪以来，人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等性能研制了许多新型纤维，另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究并且对蜘蛛丝也进行了研究，研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。
在众多的海洋生物仿生中，可能乌贼对人类的启发最多：滚圆腹部给我们提供了鱼雷的造型；快速的游动技术给我们的火箭发射以启迪，特别是驾驭平衡作用的须爪，使火箭尾部至今还保留着三个飞翼，让火箭能够平稳飞行。
再说说大家熟悉的鲨鱼吧。鲨鱼在海洋里已经生活了3.5亿年，能达到超过70公里的高时速。然而，鲨鱼皮肤上的鳞屑是扇形的，而且有小槽。在传统的观念中，表面越光滑产生的阻力就越小。而鲨鱼为什么会这样呢？于是，科学家们就把数百个模型鳞片按不同的角度装配，形成了一个人造的测试表面。测试的结果表明：摩擦损失比光滑表面还要小10％，这项新发现马上找到了技术应用。这种仿生皮肤被用来包裹空中客车飞机的外表面，使每架飞机的年燃料消耗减少了350吨，而且造成温室效应的二氧化碳和氮氧化合物也将会大大减少。悉尼奥运会时，仿生科技的连体鲨鱼装改变了整个世界泳坛的格局，几乎大半以上的金牌得主都是鲨鱼装的使用者。鲨鱼装模仿了鲨鱼的皮肤，在泳衣上设计了一些粗糙的齿状突起，以有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。其实不知大家注意到没有，高尔夫球表面也不是平滑的，而是有凹凸的，这是仿生的成果，它使得高尔夫球在飞行过程中更加平稳和快速。
我们发现蜻蜓在雨天可以飞，雨点打到翅膀上迅速滑落，翅膀丝毫未湿，这是非常神奇的，通过仿生研究发现，蜻蜓翅膀的表面微结构是超疏水的，疏水性比荷叶还好。更值得一提的是，这种表面微结构不会影响材料的透光性，就是说，我们若能将这种微结构应用于飞机、汽车等的挡风玻璃或高层建筑等的采光玻璃表面，就能获得自清洁的高透光玻璃，可极大地扩展它们的工作范围，同时，也大大减少人们清洁这类材料的劳动强度。
记者：我们应该向大自然生物学习的地方太多了，那么，作为一门科学，请您谈谈目前世界和我国仿生学研究的现状和未来。
宋凡：许多国家对仿生学十分重视，在美国，许多长期研究计划与仿生科技紧密相关，涉及发展先进制造(如模拟与仿真、生物技术)、先进材料和先进军事装备。在德国，其研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在自适应电子技术、仿生材料、生物传感器等方面投入相当大的人力和财力。此外，英、日、俄等国都制订了相应的中长期规划，准备在仿生学研究领域展开源头创新竞争。目前这些国家的仿生研究不仅成果颇丰，而且许多研究成果已从基础研究发展到商业化竞争阶段，应用于经济、军事和人类卫生事业，由仿生研究引起的高新技术创新和带来的效益在全球经济中所占的份额越来越大。
目前我国在仿生学领域的研究工作已经具有一定的研究基础，在仿生结构、生物力学、仿生材料、仿生微结构、仿生功能元件、仿生化学等方面都有一定的进展。在科技部重大基础研究，国家863计划研究以及包括基金委基础研究中都把仿生放在非常重要的地位，对一些领域进行了专门立项。仿生学研究是我国创新工程中新技术和新理论的巨大源泉，应抓住机遇，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，努力实现我国仿生学研究的新突破。
人 物 档 案
宋凡，博士。中国科学院力学研究所研究员，非线性力学国家重点实验室(LNM)副主任。中国科学院力学研究所学位委员会委员、力学研究所生物力学与生物工程中心（CBB）副主任、中国力学学会生物力学专业委员会委员、期刊《TheOpenAppliedMathematicsJournal》的编委。承担国家自然科学基金项目贝壳类生物材料微结构特征等多个项目。研究领域：生物及仿生材料的微结构和力学性能；软物质（生命物质、各种聚合物及其溶液等）结构和性能。
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