在仿生学研究中，害羞的含羞草、神奇的变色龙都是科学家重点研究的对象。然而我们可能想不到的是，这在仿生科学家的眼里就是生物到材料的转化！科学家从含羞草和变色龙中获得灵感，并造出“会卷起来”的人工血管、能为青光眼患者监测眼压的美瞳……
出品："SELF格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏演讲实录：
每天午饭后，我都会和同事在我们研究院里面溜达一圈，去挑逗挑逗院里面的花草。
在我们研究院里，有一种神奇的植物，你碰它下，它的叶子就会立即收起来。
你们知道这是什么植物吗？这就是含羞草。
2014年的夏天，我和我太太在香港爬山时，平生第一次看到了活生生的含羞草，我就在那一直挑逗它，整整挑逗了它半小时，直到后来它不耐烦了，任我再怎么碰它也不理我。当然，后来不理我的不仅有含羞草，还有我的太太。
我来不及哄我太太，因为我迫不及待地想去了解害羞草为什么害羞。
含羞草为什么害羞
经过查阅大量文献资料发现，原来害羞草的叶枕处有上下两层细胞。平常，叶枕内的两层细胞都含水膨胀，支撑着打开的叶片。
而当我们碰它的叶子时候，叶枕内的上层细胞水份会从细胞中流向组织，从而使得细胞收缩变小，而下层细胞不会有什么变化。
通过比较刺激前后叶枕处细胞形态，我们会发现：叶枕中的两层细胞在刺激前后，会产生膨胀压差异，正是由于这个差异带来叶枕的变形；而且，叶枕中的细胞都排列规整有一定的取向，而正是由于这个取向结构决定了含羞草的叶片只能是上下开合。
当然，如果我们一直挑逗它，它也会不耐烦，最后就闭合叶子不理我们了，因为长时间的刺激使得细胞中失去的水分需要较长时间回到细胞中。这就是含羞草刺激变形的原理。
我觉得这简直太神奇了，我特别想知道含羞草为什么要进化出这样的功能？
经过调研发现，原来含羞草原产于中南美洲，生存环境比较恶劣，风雨较多。含羞草为了避免被自然界摧残，他们会在风雨震动下收起自己的叶子，以减轻恶劣环境对它的伤害。
含羞草的这种反应也可以看做是一种自卫方式，当动物稍微碰到它，它就合拢叶子，动物也就不敢吃它了。
幸亏我们平时吃的蔬菜没有含羞草这种刺激变形的特性，要不然我们还不敢吃了。
含羞草带来的科研灵感
我在中科院深圳先进院带领一个仿生智能材料研究团队，当了解了含羞草的变形原理后，我就提出一个大胆的设想，是否可以利用含羞草这种变形的普适性原理，指导我们设计出可控变形的材料呢？
当有了这个疯狂的想法之后，我就立即和课题组小伙伴们一起讨论，大家都觉得这个想法非常有意思，充满了期待。那到底该采用什么材料来验证我们的想法呢？
如果采用全新材料，那会面临一个严峻的问题：开发出一种新材料需要非常长的时间。如果采用常规材料，会被人质疑我们工作没有创新性。我们一下子陷入了两难的境地。
这时我的内心突然有一个声音：“为什么不采用广泛应用的明星材料呢，如果让不具备这种特性的明星材料都能实现这种仿生含羞草变形功能，那不更加证明我们的设想是对的吗？”
我听从了自己内心的声音。最终，我们选用了一种从海洋褐藻中提取出来的天然多糖——海藻酸钠来验证我们的想法。
这种天然材料在食品、化妆品、医药等领域已经得到非常广泛的应用。如果我们能赋予它类似含羞草可控变形的功能，将极大拓展在它的生物医学等领域应用。
我们首先制备出了许多沟沟槽槽的模板，把海藻酸钠溶液浇上去，用钙离子进行交联，钙离子交联的过程就和“卤水点豆腐”一样，让原本的溶液固化成固体。
由于钙离子从样品上表面跑到下表面需要时间，因此，只要我们控制好样品与钙离子接触的时间，就可以让上表面的交联程度大一点，下表面的交联程度小一点。
这样样品上表面的网络就致密，下表面的网络就疏松。越致密地方就越硬，溶胀变形能力就差点；越疏松的下表面就越软，溶胀变形能力就越强。
实验结果表明，我们的样品上下表面软硬程度相差超过30倍，微通道阵列结构也成功设计进去，这就意味着我们已将含羞草的功能与就结构都设计成功了，接下来就需要看看是否能获得含羞草一样的变形能力。
当我们对样品施加刺激后，成功实现了类似含羞草的变形，而且变形成一个完美的螺旋结构。
我们知道，自然界中还有很多比含羞草更为复杂的形态，例如各种形态的花朵，我们是否有可能利用含羞草的变形原理来实现复杂变形呢？
我们通过把不同取向的沟槽结构设计到一起，再把样品剪成花朵形状，在刺激下，还真的成功实现了自然界不同花朵的变形。
这种变形能有什么用呢？
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数超过1700多万。
目前，临床治疗的有效方式之一是动脉搭桥术，但这种治疗方法严重依赖自体血管移植，不仅供体不足，而且还容易诱发一系列的并发症。
如果我们能研究出仿生人工血管，那将可以为心血管疾病患者提供全新的治疗方案。但这里面临两个挑战：第一，怎么样形成类似血管的三维连续闭合管？第二，怎么样获得像血管一样的生物活性？
为什么不用我们仿含羞草的变形材料试试呢？
我们需要设计出一种材料，这种材料能让细胞喜欢在上面生长，而且在种植好细胞后，这个材料还能从平面卷曲成管状。
有了前期仿含羞草变形的经验，我们成功设计出能自卷曲的闭合管，而且还成功在这个管卷曲前，就把血管内皮细胞种上去了，因此成功研究出具有一定生物活性的仿生血管，未来可以为心血管疾病治疗提供全新思路。
后来惊喜地发现，利用害羞草变形的原理，我们还实现了材料的复杂打结，未来伤口缝合后，缝合线可以自己打结，伤口愈合后材料可以在体内降解消失，不需要再次拆线，将极大降低手术难度与患者痛苦。
变色龙的变色原理与新材料研究
含羞草在外界刺激下，会把自己的叶子闭合起来。自然界中，还有一类更加高级的动物，他们心情不爽的时候，就会给你颜色看看。这种动物就是变色龙，他们通过肤色来表达自己的情绪。
讲到这里，我不知道大家是否清楚自然界中颜色来源有哪些。
其实，自然界中的颜色来源主要有两种：一种是化学色， 是由于化学分子与光的作用，就如2017年情人节我送给太太的大红心T恤衫，没穿过几次就变色了，这种化学色不稳定，容易褪色。
还有一种颜色是来源于光与周期性结构相互作用，称之为物理色，也叫结构色，这种颜色非常稳定，不会褪色。
变色龙皮肤中就有这样周期性排列的小颗粒，当变色龙情绪变化时，会通过皮肤的收缩与舒张来改变皮肤中周期结构的距离，进而改变肤色。
比如，当变色龙情绪平静的时候，皮肤中小颗粒间的距离排列非常紧密，皮肤呈现绿色；而当变色龙兴奋激动的时候，皮肤会舒张进而使得紧密排列的颗粒距离增大，非常有意思的是，从我们肉眼看来，它的皮肤就会从绿色变为橙色。
当了解到变色龙的变色原理后，我就有个天方夜谭的想法，如果我们能够制备出变色龙皮肤中的那种周期性纳米结构，并且在这种纳米结构中填充一种可舒张和收缩的材料，那就可以模仿变色龙变色。
我们在变色材料方面有多年研究经验，很快研制出了这种周期性的纳米结构，并实现了这种材料的快速变色，变色时间只需要0.2 s。不过，我们的目标是实现仿生变色龙的材料：既可以变色，还能够运动。
怎么能够让它变形动起来呢？我让负责这个课题的师弟去尝试，经过三个月的研究，发现难以实现仿变色龙的变色与运动功能。
当含羞草遇上变色龙
我就和师弟讨论，试试让含羞草与变色龙相遇，看看能发生什么。通过将含羞草的变形原理设计到仿变色龙的材料中，很快就成功实现即可变形，又能变色。
又花了三个月我们终于拿到高质量的数据，当师弟把原始数据拷贝给我时，一脸疲惫地对我说：“杜博，你看这个数据能不能用？”
大家特别注意，以前他喊我师兄，现在喊我杜博！可能是感受到我的严厉了吧。
色彩总是能让我们的生活变得丰富多彩。我猜今天在场的女性朋友应该有喜欢戴美瞳的，美瞳真是一款亮眼神器，不仅可以让眼睛变得又大又漂亮，而且看起来电力十足。
遗憾的是，我们经常在网上看到这样的报道，某个女孩由于戴了小作坊研制出的美瞳，导致角膜穿孔甚至失明，那是因为这类劣质美瞳制备工艺不正规，劣质美瞳中的化学染料会泄露，进而造成严重的眼睛疾病。
那有没有可能把我们的结构色材料做进去呢？
我们还真成功做出来了仿变色龙的隐形眼镜，我们简称为仿生美瞳，不仅颜色绚丽，而且还可以个性化定制不同色彩。
我都想好了请她来给我们做代言，甚至我连广告词都想好了：让美丽与健康同在。
但由于还没拿到临床批文，后来，我只能求它帮忙，
这应该是全球第一只戴仿生美瞳的大灰兔。
虽然美瞳仅在咱们中国就有几十亿的市场，但是，我们还是要做到不忘初心。
大家应该都知道一种眼科疾病，称之为青光眼，被称之为视力小偷，这种疾病目前临床无法治愈，只能通过及时监测并控制眼压，进而避免视力恶化。
目前，青光眼患者只能去医院排队测眼压，但是人体眼压24小时是波动的，由于不能连续监测眼压易错过眼压峰值，进而导致视力恶化甚至是不可逆失明。
那有没有可能利用我们的美瞳来监测眼压呢？
将我们的仿生美瞳戴到青光眼患者的眼睛上，当青光眼患者眼压变化时，青光眼患者眼球表面张力会发生改变，这个作用力会触发隐形眼镜颜色变化：比如眼压正常时，隐形眼镜颜色为红色，当眼压升高时，隐形眼镜颜色变成了蓝色，那就告诉患者需要赶紧滴降眼压药了；当眼压恢复正常后，隐形眼镜颜色也回复到红色。
其实大自然非常的神奇，除了有害羞的含羞草，能改变肤色的变色龙，还有很多其它有意思的生物，只要我们用心去观察，就会发现原来我们生活在如此美好的环境中。
所以，如果你们家有一个喜欢大自然的小朋友，那就多带他去大自然学习吧，说不定多年以后，他也会来到这个舞台演讲。
只要我们虚心地向大自然学习，Stay Hungry，Stay Foolish，我相信有一天，我们研制出来的智能材料将会像变形金刚一样智能。
未来，材料领域与生物医学、生命科学、合成生物学、人工智能等交融，我们会发现材料与生命的界限会越来越模糊，甚至有一天这些材料还会拥有生命。
我在中科院深圳先进院带领着一个SMART团队，从事仿生智能材料方向研究，希望我们源于生命的研究，最后回归生命，造福人类！
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