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壁虎带来灵感 生物仿生技术为未来医学带来无限可能

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壁虎带来灵感 生物仿生技术为未来医学带来无限可能

发布日期:2018-02-06 作者: 点击:

    纽约大学Courant数学研究所教授雷夫·瑞斯洛夫(Leif Ristroph)指出,“仿生生物的一个显著优点是,某种情况下给予我们的是现成的解决方案。当然,我们必须弄清解决方案背后的机制,并确定哪些方法我们能够模仿,而哪些则需要今后再实现。譬如绿叶作为自然界的太阳能电池板就是一个很好的例子:长期以来科学家在尝试更好理解光合作用,但离我们能够真正以这种方式收集储存太阳能还有很长一段距离。”1.jpg    近几十年来,科技的进步使得观察自然更为便捷,借鉴模仿自然更为精确。21世纪初,日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)被要求解决日本铁路集团的新干线子弹头列车长期存在的噪音问题。当列车告诉通过隧道时,相应的气压变化产生低频波,这种低频波从隧道扩散开来在空气中产生巨大噪音。这种噪音是如此之大,甚至于距铁道400米的居民都会抱怨这种噪声。

中津英治既是一名工程师,也是一名鸟类学家。其转向自然考虑是否有应对空气阻力突然变化的方法。他想到了翠鸟,这种鸟拥有长而平的喙,使其可以从空气迅速潜入水中,同时并不会产生过多的扰动。鉴于此,中津英治重新设计了新干线500系列高速列车的车头,使其更长更平,这种新设计成功将空气阻力降低了30%。

    中津英治和新干线的故事是仿生学的经典之作。目前诸如哈佛、牛津、斯坦福以及哥伦比亚等许多世界顶尖的学术机构都开设了生物工程学课程。而世界世界生物模拟基金会和生物模拟研究所等组织则专注于仿生学以及生物创新项目的研发,譬如以白蚁巢穴为原型的无电通风系统以及类似于于驼背鲸鳍状物的空气动力学风力涡轮机。

    然而,即便是坚信仿生学能够解决诸如水资源短缺、人口过剩、气候变化等人类最紧迫问题的专家依旧认为,该领域科学还处于起步阶段。生物模拟研究所执行主任贝丝·拉特纳(Beth Rattner)表示,“虽然我们可以模仿翠鸟的喙做出类似的火车头,但依旧无法完全模仿或复制很多生物现象。”

纽约大学Tandon工程学院教授莫里吉奥·波非瑞(Maurizio Porfiri)指出,“生物仿生是理解自然以及构思工程设计的一种手段方法,而不是一种教条主义。”换句话说,虽然生物进化追求的是最佳的解决方式,从鱼翔浅底到雁落长空莫不如此,但也都受到具体环境和条件的制约。即便纽约大学的数学家与物理学家、著名设计师雷夫·瑞斯洛夫(Leif Ristroph)也承认,他也不能根据鸟类或昆虫完全复制出一个机器人。他称,“很显然鸟类启迪了飞机最初的设计,但是早期的飞机设计与鸟的挥动翅膀并无关联。”

    但是,对于卡普来说,他并不暗示科学家可以可以直接复制自然。相反,卡普倾向于观察什么对于解决问题是有效的,并深入改进自然界的这种设计。牛津大学动物学系生物力学教授阿德里安·托马斯(Adrian Thomas)表示,“仿生的关键在于对这些可融合的自然解决方案进行分析,然后在现有的工程学背景下利用这些原理。简单地复制自然原理是错误的,因为我们可以利用最好的工程材料,做的比大自然更好。”

    虽然仅仅以生物仿生为业务的研究实验室实属罕见,但卡普实验室并不是唯一一个。2009年运营至今的哈佛大学Wyss生物启发工程研究所也是一个生物仿生工厂,其拥有375名全职员工。迄今为止工厂获取的赠款和慈善资金超过6亿美元。在过去三年中,Wyss研究所一共创立了15家创业公司,拥有专利数超过15000项,范围涵盖了从医学技术到机器人等一系列生物技术。其产品包括自组织微型机器人,可用于交通监控以及作物授粉,此外还有监控婴儿心肺功能的床垫,可以对婴儿呼吸进行实时监测。唐·英格尔(Don Ingber)指出,“卡普实验室研发出不少惊人的东西。但我们的研发速度更快,我们能够承担的风险更大,也更有可能在技术和商业上取得成功。”

    但业务量并不是卡普的目标。当实验室成立时,卡普认为其可以使用生物仿生学解决细胞迁移的相关问题,这是关于细胞在生物组织周围移动帮助组织生成、伤口愈合以及免疫反应的相关问题。同年,在一次生物医学会议上,有人告诉卡普唯一感兴趣的东西是其演讲中所提到的壁虎胶带。卡普称,“所有人都在问我关于这种新型医用胶带的情况。所以我考虑到,或许我应该仅仅关注于医疗设备,这是一件让人兴奋的事情。”

    这为卡普带来了一种新的挑战。虽然壁虎胶带可以密封诸如胃肠道之类的人体组织,但却无法密封心脏。因为心脏不是静止的,由于血液不断流进流出,其运动非常剧烈。任何一种粘合剂的强度必须要足够大。卡普起初想弄清楚外科手术胶水是否有助于解决Pedro J del Nido所遇到的难题。手术胶粘合手术伤口的速度更快,特别是在不损伤周围敏感组织的情况下,其比缝合更为有效。但现有的外科手术胶在大量血液中无法起到粘合作用,也无法粘合运动中的人体组织。此外手术胶还有毒害的副作用,会在身体内释放甲醛。而粘合时间也需要三十多分钟。但对于外科医生来说,患者躺在手术台上的时间越少,手术成功率就越高。

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