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植物在漫長的進化過程中獲得了適合生存的能力，其中隱藏著我們想像不到的機制。從這些先進的機制和構造中獲得靈感的就是仿生學。仿生學作為環境對策如今重新獲得了關注，奈米技術的進步使得人工再現細微構造成為可能，其應用範圍正在不斷擴大。
把生物和植物具有的構造、機理和形狀等應用於工業產品的仿生學（Biomimetics）研發如今「突然發力」。例如，夏普從2008年開始向市場推出部分模擬生物形狀的產品，借此提高了效率和性能，現在該公司則在加快行動步伐。積水化學工業在2011年6月推出了模仿樹蔭的遮陽棚「Airy Shade」（圖1）。這種遮陽棚採用了樹枝的分形構造，能夠遮擋陽光，還能夠通風散熱。
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積水化學工業的遮陽棚「Airy Shade」
以樹枝的分形構造為靈感，模仿樹蔭開發而成（a）。（b）為東京都內的採用實例。大自然中充滿了動植物在漫長進化過程中產生的智慧，比如以微少的能量有效發揮功能的構造、在常溫常壓的低成本環境下形成複雜的微細構造的機制，而且還不會對環境帶來沉重的負擔。這其中就隱藏著有別於傳統工學方式的新型製造技術的靈感。某大型汽車廠商如今對產品進行功能分解，正在從生物和植物中探尋實現各項功能的方法。仿生學的應用不僅限于產品。三菱麗陽的無反射薄膜生產技術、豐田正在開發的低摩擦材料的製造技術中都應用了仿生學。通過採用像具有拒水效果的荷葉、以及類似雪花結晶那樣無需大量能量即可形成規則構造的「自我組織化」技術，就可以以低成本、低能耗實現所需的微細構造。「雖然具體行動尚未展開，但很多企業都在考慮採用仿生學。」這番話出自日本東北大學原子分子材料科學高等研究機構多元物質科學研究所教授下村政嗣，下村教授經常接到來自大企業經營者有關「在自然和環境方面能做些什麼」、「基於自然的技術應該如何發展」的諮詢。歐美發展仿生學以振興產業其實，歐美對於仿生學的關注勝過日本，尤其是在環保意識突出的歐洲，德國和英國最為積極。德國擁有大量的仿生學研究人員，2011年還在德國政府的援助下舉辦了仿生學國際展會。德國正在舉全國之力，將仿生學打造成一項產業。與此同時，為了明確仿生學的概念和定義，德國還在推動相關國際標準的制定。德國已經領導成立了Technical Committee（技術專業委員會），希望以此在未來潛力市場的主導權爭奪中佔據有利位置。美國方面，受聖地牙哥動物園的委託，一份關於仿生學未來經濟效應的報告於2010年發表。該報告預測，到2025年，仿生學將能夠創造3000億美元的國內生產總值、160萬個就業機會，很多企業對這一市場都充滿興趣。除歐美之外，中國、南韓政府也開始致力於仿生學的研究。中國更是從德國聘請了專家，開設了仿生學研究所。源於蜻蜓翅膀的小型風車仿生學本身其實並不稀奇，但最近忽然受到關注的原因主要有二點：一是以溫室氣體減排為代表的環保措施的推進。隨著環保要求的逐年提高，人們開始向高性能、高效率而且環境負荷小的自然現象尋求「解答」。在經歷了東日本大地震，以及福島第一核電站事故的日本，這種趨勢更是明顯。使用仿生學也確實可以製造出高效率的產品。其典型範例便是日本東北大學石田等人與日本文理大學合作研究的小型風車「微環保風車」。該風車的葉片就應用了仿生學，模仿的生物對像是蜻蜓。http://big5.nikkeibp.com.cn/images/image2012/dm2012/05/DM1205sei3.jpg拆卸的靈感來自落葉樹木下面來介紹從高性能、高效率而且環境負荷小的自然現象中尋求「解答」的另一個例子。那就是日本物質及材料研究機構（NIMS）環境能源材料部門混合動力材料部互聯設計組組長細田奈麻繪研究的效倣植物和昆蟲的可逆焊接產品。細田關注的是落葉樹的樹葉。落葉樹的樹葉會隨著氣溫變化和果實成熟時產生的乙烯濃度的變化而掉落。此時，樹枝與樹葉之間被稱為「離層」的中間層會擴大，從而促進樹葉脫離樹枝。如果將其應用於金屬的焊接，就能夠使焊接在基板上的電子零件容易分離，方便回收利用。http://big5.nikkeibp.com.cn/images/image2012/dm2012/05/DM1205sei4.jpg從落葉樹獲得靈感的分離技術
把周圍環境變化、離層增長、葉片脫離的三步式思路引入到了工業產品的分離和分解技術之中。在部件之間設置離層，通過外部的某些刺激和信號使離層起效。模仿的是功能的表現模式，而並非生物的構造或形狀。有望應用於電子零件的回收利用等方面。《日經製造》根據細田的資料製作因此，細田想到了利用液態金屬脆化實現落葉樹樹葉的「離層模式」。液體金屬脆化現象是指固態金屬在接觸到液態金屬時強度顯著下降，出現脆化的現象。例如，把焊錫作為離層，將電子零件焊接到基板上，在回收利用時，在離層塗上低熔點的鎵。這樣一來，焊錫離層就會變脆，使電子零件容易與基板分離。通過使用這種方法，完全無需加熱等多餘的能量即可完成解體。細田認為，「在未來的循環型社會中，低環境負荷的焊接技術將愈發重要」。奈米技術加速材料研究仿生學如今受到關注的另一個原因是奈米技術的進步。隨著電子掃描顯微鏡等觀察手段的高性能化，人們了解到了更多的生物微細構造，只不過在工業產品中對其進行人工再現卻並非易事。但是，隨著近來奈米技術的發展，這成為了可能。從壁虎的腳獲得靈感的膠帶、模仿藍色大閃蝶閃光翅膀機制的纖維就都屬於此類產品。模仿能夠在牆壁和天花板上自由爬行的壁虎的膠帶是全球黏合材料研究人員爭相開發的對象，其黏合力強、而且易揭開。靈感來源於壁虎的腳底。壁虎的腳底密布著非常纖細的毛，毛的尖端還有100～1000條分叉。在過去，模仿這種微細的構造並非易事，但日東電工成功利用直徑為數奈米至數十奈米的碳奈米管（CNT）成功地對其進行了再現。2012年2月，該公司在世界上率先宣佈商業化生產「壁虎膠帶」。不可或缺的多領域合作今後，要想擴大仿生學和生物規範工程學的研究範圍，推動實用化的發展，材料和工學研究者與生物學和農學等領域的研究者的合作必不可少。在此之前，關注仿生學的部分工學研究者和技術人員把著眼點放在特定的生物功能之上，推動了這些功能在工業產品中的應用。但這種方式得到的資訊十分有限，因此必須建立把生物學資訊更廣泛地應用於工學的機制。關於與其他領域的合作，日本東北大學的下村等人正在建設新的框架。已經開展的具體行動包括申請2012年度日本學術振興會的科學研究費（科研費），構建機械和材料領域的工學研究者和技術人員與生物學、農學、博物學研究者交換資訊的場所，並構建關於生物功能的參考資料庫。將研究與產業化掛鉤的過程中，企業與大學的合作必不可少。積水化學工業的集團公司——Sekisui Integrated Research首席研究員佐野健三表示：「仿生學雖然是一項有趣的研究，但其是否擁有經濟合理性則不進行開發就無法確定。重要的是播下研究的種子，並長期培養。」日本要想發展仿生學使其與產業掛鉤，不落後於歐洲，產官學研究機構交流資訊的場所、參與研究的企業群組成的團體將愈發重要。 | 
發表於 2012-6-21 15:29:44
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