想解决人类面临的最大难题?是时候回归自然了

A water intake of the low water level Edersee reservoir is pictured in Nieder-Werbe near Waldeck, Germany July 22, 2017. Picture taken July 22, 2017. REUTERS/Ralph Orlowski - RTX3CYOG
Medics, scientists, and even engineers are turning to nature for answers to their problems.Image: REUTERS/Ralph Orlowski
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简要概述

从飞机、医用胶水到微型机器人,自然界正为当今一些最重要的创新带来灵感。通过观察生物如何适应环境、克服各种挑战,我们可以找到解决自身问题的新方法。

最高形式的赞美

在用种类繁多的解决方案应对各种各样的问题方面,科学家远不及自然选择。数百万个物种历经无数世代,发展出多种方式来对抗重力、在水下附着于物体,甚至举起比自身重数千倍的物体。

长期以来,医务人员、科学家乃至工程师都对了解生物如何克服某些障碍很感兴趣,以便从中汲取可用于应对自身挑战的原理。这种策略的历史范例之一,是莱特兄弟在研制首架飞机时对鸟类的研究。他们观察鸟类翅膀的形状如何影响气流和升力,并将这些发现融入设计,造出了第一架实现持续、受控飞行的飞机。

如今,航空航天工程师仍在运用这一策略,特别关注猫头鹰,以降低飞机噪声。借助能够在分子层面研究生物的工具,我们如今可以从海洋生物到林地动物的各种生物中汲取灵感,改进技术、医学,并最终改善生活。

成功采用这一策略(称为“仿生学”)的一家公司是Gecko Biomedical,由杰弗里·卡普创立。他设计了一种医用胶带,用来替代缝线和缝合钉,灵感来源正是壁虎。卡普模拟了壁虎脚上让它能贴附墙壁的细小绒毛(并适当加上胶黏剂),设计出一种胶带,可封合胃肠道等内部组织上的切口。

卡普的团队还研究了沙堡虫的黏液,并据此发明了一种外科胶水。这种胶水不仅在潮湿环境中仍能保持黏性,强度也足以粘合跳动的心脏——目前,这一用途的胶水正在欧洲接受临床试验。

解决问题

卡普强调,仿生学的目标绝不是仅仅因为做得到就照搬自然界的某些元素。相反,他的目标是先找出人类的真实需求,再观察自然界是否能带来启示。

“我们着手解决问题,并不是为了发表论文、获得学术界的赞许,”卡普实验室的研究技术员尼克·谢尔曼在接受《卫报》采访时说。“我们的想法更像是:‘这项工作能帮助患者吗?如果不能,我们该怎样让它发挥作用?’”

因此,团队专注于开发有望大幅改善患者护理的医疗器械,外科胶水就是一例。负责监督这项试验的心血管外科医生让-马克·阿尔萨克对《卫报》说:“这可能彻底改变我们的手术方式。”

但医学并非唯一一个因自然界而发生变革的领域。机器人技术也借鉴生物模型,造出了能完成惊人任务的机器人。例如,工程师最近设计出重100克(3.5盎司)的机器人,它们能像蚂蚁一样协同工作。其中六个机器人协同作业时,就能举起一辆重1,800千克(3,900磅)的汽车。

这些机器蚂蚁可以用于应对当今众多问题,而这些问题确实不胜枚举。随着气候变化的影响持续显现,人口老龄化使人们罹患癌症的风险更高,社会也日益数字化,因而比以往任何时候都更容易遭受网络攻击,我们迫切需要新的解决方案。这些机器、医疗器械和机器人,彰显了自然界的智慧。

卡普认为仿生学是一种制胜策略,因为“今天仍然存在的每一种生物,都曾克服过许多挑战,”他对《卫报》说。“从本质上讲,我们周围到处都是解决方案。进化才是真正最擅长解决问题的。”

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