The Innovation | 学习自然，点亮未来

导 读

你是否曾经仰望天空，思考鸟儿为何可以自由飞翔？又或者曾经疑惑，仙人掌的叶子如何进化成尖刺？经过数十亿年的进化，自然界物种适应了各种各样残酷的环境，演化出强大的生存本领。例如：鲨鱼的鳞片能减少水的阻力，使其能以每小时60公里的速度游泳；蝙蝠的超声波用于定位目标，协助它们在黑暗中狩猎；荷叶表面超疏水的微观结构，使其出淤泥而不染。

从动物牙齿到长矛，从鱼鳍到船桨，人类研究周边的自然不仅是为了满足好奇心，更重要的是为了从中汲取宝贵经验。如今，人们从大自然中汲取灵感，使用先进的材料和技术创造出诸如可提高游泳速度的鲨鱼皮泳衣、受蝙蝠启发的定位目标声纳，以及模仿荷叶的自清洁衣服。这些想法，利用生物方法和自然系统来设计现代技术或工程，就是所谓的仿生思想。大自然的智慧无穷无尽，可以指导人类巧妙解决各种发展难题。那么，人类可以利用仿生策略解决哪些未来问题？

图1 图文摘要

仿生思想用于个性化医疗服务 

想象有这样一件衣服，穿上它，可以随时随地监测自己身体状况，调整健康作息。类似这样的技术可称为“个性化医疗服务”，需要低成本的可穿戴生物电子产品持续监测。自然界的生命为我们提供了宝贵的线索。在人类表皮结构的启发下，研究人员从感知神经元的分叉中获取灵感，以开发具有超高灵敏度的人工外围神经系统。为解决假肢可能会引起人体连接处疼痛和感染问题，人们从乌贼嘴的连接机制研究中寻找答案。由于硬度分布存在的梯度，乌贼的喙可以连接软体而不发生界面损伤。基于此，人们开发出类似的仿生装置来提高假肢的可穿戴性。多功能可穿戴生物电子产品的蓬勃发展离不开仿生思想，自然启迪为材料创新、结构设计和功能发现方面提供了持续的灵感。随着消费者主要关注点从产品的单纯功能转移到更人性化的需求，生物启发战略再次处于突破的边缘。

仿生思想用于可持续发展能源 

面向未来人类社会的可持续发展，一方面需要可再生能源替代化石燃料，另一方面需要发展高效的控制和节能技术。然而，当前可持续能源系统存在高度集成化趋势和复杂的非线性特点。在自然界中，生物进化出超高的能源利用能力。从最小的细胞环境中的营养输送，到最大的地球生物圈中的能量流动，生物长期保持着人类工业社会无法想象的高能源效率，并维持着与周围环境的平衡。向大自然学习，无疑会带来能源高效可持续利用新战略。最近，研究者受肺部的分形几何学启发，设计出能够促进反应气体均匀分布的电极系统，提高了燃料电池的效能。

仿生思想用于生态友好环境

高效、平衡的自然系统能够启发人类提高人工系统的稳定性和可持续性。仿生战略可为技术进化和人类与自然关系带来新机会，为各种严峻的环境问题提供解决方案。作为最引人注目的可再生能源采集技术，太阳能电池一直受到其长期运行不稳定性的影响，尤其是过氧化物太阳能电池。研究人员开发了一种仿生界面层，从生物结晶和脊椎骨的柔性结构中得到灵感，精确控制结晶过程形成新结构，提高了反应稳定性。此外，新的系统设计不仅可以从自然界生物的单一物种中获得设计灵感，还可以从完整的生态系统中习得。例如，尽管雨林土壤贫瘠，但由于其独特的闭环系统和高度发达的生态系统，形成了广泛的生物多样性和出色的稳定性。当涉及到城市文明的基础设施和工业生产的未来设计时，我们有理由建议人类从热带雨林生态圈中学习能量循环的方式，以启迪高度协调化的未来智慧城市规划。

总结与展望

现如今，学习自然，拥抱自然的思想和策略，在人类可持续发展中发挥着越来越重要的作用。新的技术和系统使人们的生活更加健康，能源更加清洁，与环境的关系更加和谐。唯有更先进的可持续发展方式，才能解决过去几个世纪以来人类社会发展给自然界和自身带来的诸多问题。受自然启发的全新技术能够在人类活动引起的各种问题中发挥关键作用。

然而，仿生思想的应用仍充满极具挑战，其独特研究逻辑和方法对现有科学和工程领域的影响值得关注。如果没有对基本自然原理的深入理解，或者操纵的精度未能足够精细，生物启发策略的效能将被大大削弱。另一个挑战在于生物启发技术，因此，仿生科学的发展总是与基础科学的进步紧密结合，如生物学、化学、粒子物理学、量子科学、神经科学。随着对自然规律的深入了解，越来越多以前无法想象的仿生学应用将逐渐步入我们的生活。未来，我们将看到仿生科学在不同科技领域蓬勃发展，为人与自然和谐共处的未来创造良好条件。当人类发展遇到迫在眉睫的难题与挑战时，我们就应与自然对话，学习自然规律，探索和发展先进的技术应用，来推进人类文明的和谐发展。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00060-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第三期以Commentary发表的“Learning from nature for healthcare, energy and environment” (投稿: 2021-01-16；接收: 2021-04-26；在线刊出: 2021-06-17)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100135

引用格式：Xiao X., Xiao X., Yang L., et al. (2021). Learning from nature for healthcare, energy and environment. The Innovation. 2(3),100135.

作者简介

陈俊，加州大学洛杉矶分校生物工程系助理教授，在UCLA建立了可穿戴生物电子实验室，致力于以纳米技术和生物电子为基础的，以智能织物、可穿戴设备和人体传感器网络为形式的，用于能源、传感、环境和医疗应用的研究。迄今撰写专著2本，发表期刊论文170篇，被引用超过19000余次，其中110篇以第一/通讯作者发表在Chemical Reviews, Chemical Society Revies, Nature Energy, Nature Electronics, Nature Sustainability, Nature Communications, Joule, Matter等国际顶级期刊上，目前的H因子为76。此外他还是Biosensors and Bioelectronics的副主编，也是Advanced Fiber Materials、Nano-Micro Letters、Frontiers in Pharmacology、Frontiers in Chemistry和Smart Materials in Medicine等期刊的编委会成员。被Web of Science 评为全球材料科学领域最具影响力的研究人员之一，并2019, 2020年连续入选全球高被引研究人员名单。

课题组网站：https://www.junchenlab.com/

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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 2）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有183位编委会成员，来自21个国家；51%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。

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