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从模仿自然到前沿科技的探索 材料是现代文明发展的基石

发布时间:2021/10/19    来源:中国网

中国科技新闻网10月13日讯 2021年大数据科技传播与应用高峰论坛暨“科创中国”试点城市推进式高峰论坛召开前夕,江苏大学高分子材料研究院院长、联合国科学院院士、乌克兰国家工程院院士、俄罗斯自然科学院院士李松军接受了中国科技新闻网的专访。


此次访谈中,李松军阐释了人与自然的关系,并深入浅出地讲解了仿生与智能材料的“含义”,以及材料在现代医疗、前沿科技中的重要地位。他表示,材料是现代文明发展的基石,材料学科的发展与现代医疗科技、大数据以及人工智能等前沿科技也息息相关。


“作为科研工作者,我们努力拼搏的目的就是为了让人们更好、更方便、更舒适地去生活。社会需要什么,我们就尽量把自己所研究的成果往社会需要方面靠拢,这样做出来的研究成果便能更好地迎合社会发展的需要。”李松军说。



李松军院士正在接受采访 中国科技新闻网/摄


以下是采访全文:


中国科技新闻网:请您简单科普一下什么是“仿生”?


李松军:具有记载的人类活动至今,最多两万年左右。在这个时间里,人类是如何获取知识的呢?古时候的人们由于缺乏知识,认为自然宇宙是神的力量在掌控……但是现在我们知道,地球历经了大约46亿年的演化,所有的生命物质都由分子构成,它们伴随着地球的演化,也经过了46亿年的排列组合。在自然界中,存在着很多丰富多彩的东西,人类因对自然认识及自身科技发展水平的限制,暂时无法将其合成,最直接的获取渠道就是从自然中汲取知识,因此,自然界是人类最好的老师。


美国的航母战斗机起飞时靠弹射,而苏联的这种技术不成熟,早期他们的飞机设计就采取仿生学设计。美国的航母战斗机跑道短,在起飞时带不了多少弹药、油料,所以美国就在飞机起飞阶段增加冲量弹射;但是苏联的飞机则不同,它更像雕和鸟,雕不依靠飞行速度,它的飞行方式更像是人们所说的“翱翔”,所以早期的苏联人就模仿雕的飞行方式发明了一种机翼向前的飞机。



苏47金雕式战斗机


这里面就蕴藏着一种仿生设计的思想,真正的仿生有两个概念:一类叫做模仿生命的机理,一类是指生物感召的功能,也就是说模仿生活所具备的某种功能的东西。人类科技就是这样发展的,比如病毒来了,但是我们有抗体,抗体究竟是什么东西?如果泛泛而谈,抗体就可以高特异性捕捉病毒的活性体,它们两者之间的关系可以理解成一把锁“配”一把钥匙,病毒就是钥匙,抗体就是锁,当病毒进来的时候,抗体就与它进行匹配。人类就模仿这个过程,研究出来的某种材料就相当于锁,锁可以精准“配”钥匙。


中国科技新闻网:“材料”的含义是什么?


李松军:材料几乎囊括了一切物质,因此人类以使用工具作为文明进化的标志,而所有的工具向上追溯都是材料,因此我没有办法给材料一个具体的定义,它几乎是在概念上、感官上、用途上覆盖了人类文明的一切。随着人类科技不断地向前发展,我们把科技用到材料的设计上,就会实现新的突破,制造越来越高端的材料。


举个简单的例子,我们人体的肾脏具有过滤的功能,如果没有肾,小便排出来的代谢物可能就会带血,那肾坏了怎么办?人造材料可以替代这种功能,过滤小便排出来的物质。


自然界中有一个原理,尽量获取最少的物质实现更多的功能,如果把我们的骨头换成同样粗细的铁,你搬东西的时候,铁一定会弯,但我们的骨头就没事,因为它的柔韧性可以很好地与它的脆性功能有效地融为一体。事实上,人体本身就由高分子材料构成,主要是氨基酸、蛋白质等,它们本身就是高分子材料,所以现在仿生与智能高分子材料是相对成熟的、全面的一个研究领域,它的前景是非常光明的,这是自然界所带给我们的答案。


中国科技新闻网:所以仿生与智能高分子材料的研究对医疗领域是有极大帮助的。


李松军:对,高分子材料的研究在医疗方面的作用是最明显的。假如一个人得了肠道胃溃疡,除了病灶部位其它部位都正常,但是吃了药以后,药片可能还没有到达病灶部位,就在“弯弯曲曲”的肠道内被吸收走了,这样药效就大打折扣。


这种情况下,我们设计一种材料,其温度或pH值与肠道内保持一致,它在正常“不工作”的时候,不吸收水分,也就是说人把它咽进去后不能消化,当它到达病变部位时,其病变部位产生的微小温度或pH差,材料遇到温差马上变成吸水的了,药物的药效就在那个瞬间释放了。就像种子一样,从春天开始发芽,到了特定时间就“开花”了,这就是精确的控制释放。


中国科技新闻网:除了医疗科技的发展,人工智能和大数据也是社会广泛关注的话题,请问仿生与智能高分子材料在前沿科技中起到怎样的作用?


李松军:现在所谈论的人工智能也是国家的发展战略,不过我们还没有到达人工智能时代,但正在朝着这个时代迈进。人工智能简单地概括就相当于一个中枢大脑,所有的要素都和它贯穿相连,并通过程序控制,人类又可以驱动这个程序,使它慢慢的成为我们生产、生活的一部分。当然这是一种比较粗糙的理解,涉及到每一个领域的时候都会有很多复杂的知识。


对于材料而言,它作为现代文明进化的标志,其研究工作是挑战中的挑战,因为到今天为止,文明进化的核心还是在产业基础,材料就是支撑整个文明的基石。


中国科技新闻网:关于高分子材料在前沿科技中所起的基础作用,您可以举一个具体的例子吗?


李松军:在人工智能和大数据领域,我们亟待发展的关键部件就是芯片。在一个拇指大的芯片里,叠加着几百、上千甚至数量更大的微型电路,从设计方面来讲,如华为公司可以从事高水平的芯片设计,并跻身国际前列,这证明我们在高精尖科技方面的设计能力已经非常出色,但是在材料设计及应用方面离美国还有不小的距离,这是眼下制约我们芯片国家战略的一个最重要原因。


中国科技新闻网:您觉得我国需要多长时间才能追赶上美国?


李松军:我对我们国家重新站在世界之巅是充满信心的。我国有着五千年的历史文化,在历史的长河中,我们大多数时候处于世界顶尖一流国家之列。历史有它的规律,我们只是暂时偏离了历史的轨迹,我相信很快我们又会回到世界之巅。



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