在仿生學研究中，害羞的含羞草、神奇的變色龍都是科學家重點研究的對象。然而我們可能想不到的是，這在仿生科學家的眼裡就是生物到材料的轉化！科學家從含羞草和變色龍中獲得靈感，並造出“會捲起來”的人工血管、能為青光眼患者監測眼壓的美瞳……
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏演講實錄：
每天午飯後，我都會和同事在我們研究院裡面溜達一圈，去挑逗挑逗院裡面的花草。
在我們研究院裡，有一種神奇的植物，你碰它下，它的葉子就會立即收起來。
你們知道這是什麼植物嗎？這就是含羞草。
2014年的夏天，我和我太太在香港爬山時，平生第一次看到了活生生的含羞草，我就在那一直挑逗它，整整挑逗了它半小時，直到後來它不耐煩了，任我再怎麼碰它也不理我。當然，後來不理我的不僅有含羞草，還有我的太太。
我來不及哄我太太，因為我迫不及待地想去了解害羞草為什麼害羞。
含羞草為什麼害羞
經過查閱大量文獻資料發現，原來害羞草的葉枕處有上下兩層細胞。平常，葉枕內的兩層細胞都含水膨脹，支撐著打開的葉片。
而當我們碰它的葉子時候，葉枕內的上層細胞水份會從細胞中流向組織，從而使得細胞收縮變小，而下層細胞不會有什麼變化。
通過比較刺激前後葉枕處細胞形態，我們會發現：葉枕中的兩層細胞在刺激前後，會產生膨脹壓差異，正是由於這個差異帶來葉枕的變形；而且，葉枕中的細胞都排列規整有一定的取向，而正是由於這個取向結構決定了含羞草的葉片只能是上下開合。
當然，如果我們一直挑逗它，它也會不耐煩，最後就閉合葉子不理我們了，因為長時間的刺激使得細胞中失去的水分需要較長時間回到細胞中。這就是含羞草刺激變形的原理。
我覺得這簡直太神奇了，我特別想知道含羞草為什麼要進化出這樣的功能？
經過調研發現，原來含羞草原產於中南美洲，生存環境比較惡劣，風雨較多。含羞草為了避免被自然界摧殘，他們會在風雨震動下收起自己的葉子，以減輕惡劣環境對它的傷害。
含羞草的這種反應也可以看做是一種自衛方式，當動物稍微碰到它，它就合攏葉子，動物也就不敢吃它了。
幸虧我們平時吃的蔬菜沒有含羞草這種刺激變形的特性，要不然我們還不敢吃了。
含羞草帶來的科研靈感
我在中科院深圳先進院帶領一個仿生智能材料研究團隊，當了解了含羞草的變形原理後，我就提出一個大膽的設想，是否可以利用含羞草這種變形的普適性原理，指導我們設計出可控變形的材料呢？
當有了這個瘋狂的想法之後，我就立即和課題組小夥伴們一起討論，大家都覺得這個想法非常有意思，充滿了期待。那到底該採用什麼材料來驗證我們的想法呢？
如果採用全新材料，那會面臨一個嚴峻的問題：開發出一種新材料需要非常長的時間。如果採用常規材料，會被人質疑我們工作沒有創新性。我們一下子陷入了兩難的境地。
這時我的內心突然有一個聲音：“為什麼不採用廣泛應用的明星材料呢，如果讓不具備這種特性的明星材料都能實現這種仿生含羞草變形功能，那不更加證明我們的設想是對的嗎？”
我聽從了自己內心的聲音。最終，我們選用了一種從海洋褐藻中提取出來的天然多糖——海藻酸鈉來驗證我們的想法。
這種天然材料在食品、化妝品、醫藥等領域已經得到非常廣泛的應用。如果我們能賦予它類似含羞草可控變形的功能，將極大拓展在它的生物醫學等領域應用。
我們首先製備出了許多溝溝槽槽的模板，把海藻酸鈉溶液澆上去，用鈣離子進行交聯，鈣離子交聯的過程就和“滷水點豆腐”一樣，讓原本的溶液固化成固體。
由於鈣離子從樣品上表面跑到下表面需要時間，因此，只要我們控制好樣品與鈣離子接觸的時間，就可以讓上表面的交聯程度大一點，下表面的交聯程度小一點。
這樣樣品上表面的網絡就緻密，下表面的網絡就疏鬆。越緻密地方就越硬，溶脹變形能力就差點；越疏鬆的下表面就越軟，溶脹變形能力就越強。
實驗結果表明，我們的樣品上下表面軟硬程度相差超過30倍，微通道陣列結構也成功設計進去，這就意味著我們已將含羞草的功能與就結構都設計成功了，接下來就需要看看是否能獲得含羞草一樣的變形能力。
當我們對樣品施加刺激後，成功實現了類似含羞草的變形，而且變形成一個完美的螺旋結構。
我們知道，自然界中還有很多比含羞草更為複雜的形態，例如各種形態的花朵，我們是否有可能利用含羞草的變形原理來實現複雜變形呢？
我們通過把不同取向的溝槽結構設計到一起，再把樣品剪成花朵形狀，在刺激下，還真的成功實現了自然界不同花朵的變形。
這種變形能有什麼用呢？
心血管疾病是目前全球致死率最高的疾病，每年因心血管疾病死亡的人數超過1700多萬。
目前，臨床治療的有效方式之一是動脈搭橋術，但這種治療方法嚴重依賴自體血管移植，不僅供體不足，而且還容易誘發一系列的併發症。
如果我們能研究出仿生人工血管，那將可以為心血管疾病患者提供全新的治療方案。但這裡面臨兩個挑戰：第一，怎麼樣形成類似血管的三維連續閉合管？第二，怎麼樣獲得像血管一樣的生物活性？
為什麼不用我們仿含羞草的變形材料試試呢？
我們需要設計出一種材料，這種材料能讓細胞喜歡在上面生長，而且在種植好細胞後，這個材料還能從平面捲曲成管狀。
有了前期仿含羞草變形的經驗，我們成功設計出能自捲曲的閉合管，而且還成功在這個管捲曲前，就把血管內皮細胞種上去了，因此成功研究出具有一定生物活性的仿生血管，未來可以為心血管疾病治療提供全新思路。
後來驚喜地發現，利用害羞草變形的原理，我們還實現了材料的複雜打結，未來傷口縫合後，縫合線可以自己打結，傷口癒合後材料可以在體內降解消失，不需要再次拆線，將極大降低手術難度與患者痛苦。
變色龍的變色原理與新材料研究
含羞草在外界刺激下，會把自己的葉子閉合起來。自然界中，還有一類更加高級的動物，他們心情不爽的時候，就會給你顏色看看。這種動物就是變色龍，他們通過膚色來表達自己的情緒。
講到這裡，我不知道大家是否清楚自然界中顏色來源有哪些。
其實，自然界中的顏色來源主要有兩種：一種是化學色， 是由於化學分子與光的作用，就如2017年情人節我送給太太的大紅心T恤衫，沒穿過幾次就變色了，這種化學色不穩定，容易褪色。
還有一種顏色是來源於光與週期性結構相互作用，稱之為物理色，也叫結構色，這種顏色非常穩定，不會褪色。
變色龍皮膚中就有這樣週期性排列的小顆粒，當變色龍情緒變化時，會通過皮膚的收縮與舒張來改變皮膚中週期結構的距離，進而改變膚色。
比如，當變色龍情緒平靜的時候，皮膚中小顆粒間的距離排列非常緊密，皮膚呈現綠色；而當變色龍興奮激動的時候，皮膚會舒張進而使得緊密排列的顆粒距離增大，非常有意思的是，從我們肉眼看來，它的皮膚就會從綠色變為橙色。
當了解到變色龍的變色原理後，我就有個天方夜譚的想法，如果我們能夠製備出變色龍皮膚中的那種週期性納米結構，並且在這種納米結構中填充一種可舒張和收縮的材料，那就可以模仿變色龍變色。
我們在變色材料方面有多年研究經驗，很快研製出了這種週期性的納米結構，並實現了這種材料的快速變色，變色時間只需要0.2 s。不過，我們的目標是實現仿生變色龍的材料：既可以變色，還能夠運動。
怎麼能夠讓它變形動起來呢？我讓負責這個課題的師弟去嘗試，經過三個月的研究，發現難以實現仿變色龍的變色與運動功能。
當含羞草遇上變色龍
我就和師弟討論，試試讓含羞草與變色龍相遇，看看能發生什麼。通過將含羞草的變形原理設計到仿變色龍的材料中，很快就成功實現即可變形，又能變色。
又花了三個月我們終於拿到高質量的數據，當師弟把原始數據拷貝給我時，一臉疲憊地對我說：“杜博，你看這個數據能不能用？”
大家特別注意，以前他喊我師兄，現在喊我杜博！可能是感受到我的嚴厲了吧。
色彩總是能讓我們的生活變得豐富多彩。我猜今天在場的女性朋友應該有喜歡戴美瞳的，美瞳真是一款亮眼神器，不僅可以讓眼睛變得又大又漂亮，而且看起來電力十足。
遺憾的是，我們經常在網上看到這樣的報道，某個女孩由於戴了小作坊研製出的美瞳，導致角膜穿孔甚至失明，那是因為這類劣質美瞳製備工藝不正規，劣質美瞳中的化學染料會洩露，進而造成嚴重的眼睛疾病。
那有沒有可能把我們的結構色材料做進去呢？
我們還真成功做出來了仿變色龍的隱形眼鏡，我們簡稱為仿生美瞳，不僅顏色絢麗，而且還可以個性化定製不同色彩。
我都想好了請她來給我們做代言，甚至我連廣告詞都想好了：讓美麗與健康同在。
但由於還沒拿到臨床批文，後來，我只能求它幫忙，
這應該是全球第一隻戴仿生美瞳的大灰兔。
雖然美瞳僅在咱們中國就有幾十億的市場，但是，我們還是要做到不忘初心。
大家應該都知道一種眼科疾病，稱之為青光眼，被稱之為視力小偷，這種疾病目前臨床無法治癒，只能通過及時監測並控制眼壓，進而避免視力惡化。
目前，青光眼患者只能去醫院排隊測眼壓，但是人體眼壓24小時是波動的，由於不能連續監測眼壓易錯過眼壓峰值，進而導致視力惡化甚至是不可逆失明。
那有沒有可能利用我們的美瞳來監測眼壓呢？
將我們的仿生美瞳戴到青光眼患者的眼睛上，當青光眼患者眼壓變化時，青光眼患者眼球表面張力會發生改變，這個作用力會觸發隱形眼鏡顏色變化：比如眼壓正常時，隱形眼鏡顏色為紅色，當眼壓升高時，隱形眼鏡顏色變成了藍色，那就告訴患者需要趕緊滴降眼壓藥了；當眼壓恢復正常後，隱形眼鏡顏色也回覆到紅色。
其實大自然非常的神奇，除了有害羞的含羞草，能改變膚色的變色龍，還有很多其它有意思的生物，只要我們用心去觀察，就會發現原來我們生活在如此美好的環境中。
所以，如果你們家有一個喜歡大自然的小朋友，那就多帶他去大自然學習吧，說不定多年以後，他也會來到這個舞臺演講。
只要我們虛心地向大自然學習，Stay Hungry，Stay Foolish，我相信有一天，我們研製出來的智能材料將會像變形金剛一樣智能。
未來，材料領域與生物醫學、生命科學、合成生物學、人工智能等交融，我們會發現材料與生命的界限會越來越模糊，甚至有一天這些材料還會擁有生命。
我在中科院深圳先進院帶領著一個SMART團隊，從事仿生智能材料方向研究，希望我們源於生命的研究，最後迴歸生命，造福人類！
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