《道德經(jīng)》中說：“人法地，地法天，天法道，道法自然。”大自然的神奇博大和精彩紛呈，引領(lǐng)著科學家一直向大自然學習，從而獲得技術(shù)啟示和突破，由此誕生一門具體的也同樣精彩紛呈的科學：仿生學。

一系列的仿生科技和研究真是讓人愛不釋手：
 

蝴蝶翅膀和鸚鵡羽毛以及如Pollia condensata（波利亞?康登薩，拉丁水果，）等具有絢麗奪目的色澤，Pollia condensate被譽為科學界已知色彩最鮮艷的果實（不知道味道是否和色澤匹配），而來自東南亞的圣甲蟲（Cyphochilus beetle）具有比紙還白的膚色（追求美白的姑娘們可以看看，Scientific Reports 4, 6075 doi:10.1038/srep06075 (2014)）。以上動植物組織的色澤，并不是由于色素（pigmentation），而是由于其表面非常復(fù)雜精致的三維微納結(jié)構(gòu)：不同尺寸、周期、堆疊層數(shù)方式等可反射不同波段的光，從而呈現(xiàn)不同的顏色。以上引起研究人員對所謂光子晶體結(jié)構(gòu)色進行深入研究。我了解有劍橋大學的Professor Silvia Vignolini 專門從事仿生光子晶體的結(jié)構(gòu)、性能和制備研究。

圖1 Pollia condensata，被譽為科學界已知色彩最鮮艷的果實，其顏色主要源自最外層的螺旋cellulose microfibrils陣列，具有手型特征：比如左旋光入射，反射光變?yōu)橛倚猓?5712–15715| PNAS| September 25, 2012 |vol. 109 | no. 39）。
 

結(jié)構(gòu)色也可以動態(tài)變化，比如身懷變色絕技的變色龍，即蜥蜴。變色龍的膚色會隨著背景、溫度和心情的變化而改變，其基本顏色是綠色,但可以隨時變出深綠、淺綠、紫、藍、褐色等,甚至可以變出各色相間“花里胡哨”的花紋色。沒有看過具體的論文研究，猜測應(yīng)該也是通過改變其皮膚光子晶體的參數(shù)，也許是周期，來改變光線的反射。比如，平靜時光子晶體呈密集網(wǎng)狀分布，周期小，可反射出藍光。而當心情興奮可能導(dǎo)致皮膚膨脹，即光子晶體周期變大，可能呈黃色或紅色等顏色。也許皮膚收縮和膨脹也會導(dǎo)致光子晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)而改變顏色。而“偽裝色”，即根據(jù)周圍環(huán)境色來改變顏色，也在動植物界頻繁見到，比如蘭花螳螂、苔蘚葉尾壁虎和白樺尺蛾等。這是由于入射光改變，誘導(dǎo)其皮膚光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而改變顏色。受此啟發(fā)，科學家研發(fā)出新型變色“智能”皮膚，智能變色武器、裝備等。
 

壁虎在垂直墻壁上也能自由爬行，超強吸力源于腳掌特殊的三維微納結(jié)構(gòu)，水珠在荷葉表面滾動，荷葉表面的特殊微納結(jié)構(gòu)使水滴和荷葉表面存在空氣隔膜，從而產(chǎn)生疏水性。受此啟發(fā)，江雷院士研究實現(xiàn)了生物型超疏水防霧（Advanced Material 2007,19 17:2213-2217），卡內(nèi)基梅隆大學Metin Sitti教授實現(xiàn)超強黏附性和界面韌性壁虎爪子（ACS applied material interface, 2009, 1(4),L849-855），UCLA CJ Kim教授制備實現(xiàn)“憎一切”（superomniphobic）液體的超高疏水性功能性雙凹角三維二氧化硅 (Science, 2014,346(6213):1096-1100)。此類仿生科技的發(fā)展成熟，也許可以讓洗衣機成為歷史，讓建筑外墻永葆初時的清潔干凈。現(xiàn)在很多建筑外墻短短幾年就已經(jīng)變得很臟了！
 

許多動物的眼睛與人眼的結(jié)構(gòu)、原理完全不同，因此具有很多人眼望塵莫及的功能，令人“刮目相看”。比如，烏賊（瞳孔呈W形，無法識別顏色，但卻能光的偏振，改變整個眼睛形狀實現(xiàn)聚焦，可觀測到身前身后物）、山羊（瞳孔擴大時呈長方形，視野范圍在320～340度）、蝴蝶（數(shù)百個微小的六邊形晶狀體組成，能同時看到各個方向，能看到紫外光）、變色龍（每個錐形結(jié)構(gòu)可獨自旋轉(zhuǎn)，可同時看方向完全不同的兩個獨立物體，有利捕捉飛行昆蟲）、貓頭鷹、青蛙等。各種動物眼睛啟示仿生復(fù)眼光學元件和系統(tǒng)研究，為實現(xiàn)高精度定位、內(nèi)視鏡和微型廣角成像等新穎功能。美國西北大學John Rogers教授，香港科技大學范智勇教授等在此領(lǐng)域做出較多成果。
 

還有仿生皮膚、類腦計算、仿生嗅覺等仿生科技和研究。
 

我覺得仿生很有意思，散發(fā)著自然的迷人氣息，催發(fā)不斷去發(fā)現(xiàn)和遇到自然中美好有趣的東西，學習并仿制以應(yīng)用。也許不久以后我們就可以穿上“壁虎鞋”飛檐走壁，戴上仿生眼眼觀六路，讓紅外紫外都成為“可見”，穿上變色衣躲進某青山綠水“成一統(tǒng)”，好好休養(yǎng)放松會。
 

與此同時，超構(gòu)材料，也叫超材料，英文為metamaterial，二維的metamaterial稱為metasurface。metamaterials和metasurface，可以通過調(diào)節(jié)組成納米單元的尺寸、位置、偏轉(zhuǎn)角和周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)對光的相位、偏振和強度的調(diào)控，從而實現(xiàn)超透鏡等光學組件和調(diào)控發(fā)光方向等有源器件應(yīng)用。
 

metameterial引起熱烈和越來越廣泛的研究興趣的原因，在于可以通過人工編輯材料，實現(xiàn)自然界暫時沒有發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)材料幾乎不可能實現(xiàn)的性質(zhì)。超構(gòu)材料由前蘇聯(lián)理論物理學家Veselago在1968年首先提出，可以用特殊的材料設(shè)計特殊的光學結(jié)構(gòu)實現(xiàn)負的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。2001年美國加州圣地亞哥分校的R. A. Shelby實現(xiàn)微波波段10.5GHz的負折射率（Science，2001, 292 (5514):77-79），加州伯克利的Xiang Zhang課題組實現(xiàn)串聯(lián)型漁網(wǎng)狀堆疊三維結(jié)構(gòu)超材料（Nature，2008，455:376-379），標志超材料實驗上的實現(xiàn)。
 

超材料的一個研究熱點是 invisibility cloaks 隱身斗篷：通過超材料的設(shè)計，讓電磁波“轉(zhuǎn)彎”，繞著物體走，繞過障礙物，實現(xiàn)隱身。之所以能轉(zhuǎn)彎和改變方向，歸功于傳統(tǒng)材料不具備的“負折射”特性。Invisibility cloaks 隱身斗篷可以在軍事上有重要應(yīng)用。
 

當然，超材料的研究和應(yīng)用不僅僅限于電磁學方面，在力學、聲學等方面都大有潛力和用武之地。
 

我覺得超構(gòu)也非常地迷人，撩撥著挑戰(zhàn)欲，激發(fā)人們的能動性，去“創(chuàng)造”自然中暫時沒發(fā)現(xiàn)的東西，實現(xiàn)特異功能。也許不久以后也可以像哈利波特那樣穿上隱身衣，實現(xiàn)魔法般隱身。

仿生和超構(gòu)，微納科技開出的兩朵迷人之花。但看起來他們似乎源起且行進在兩條截然相反的路線上？一個一頭鉆進大自然博大深厚的懷抱，吸納吞吐，熠熠生輝，一個則由我出發(fā)，近乎掘強地想要超越自然，不時突破傳統(tǒng)邊界，超常奇異：道法自然，抑或人定勝天？科學，亦是哲學。
 

想起《倚天屠龍記》中，張三豐凝望浮云流水，悟出武學以柔克剛的至理，創(chuàng)出震古爍今的武當武功，觀摩漢陽蛇龜二山，從蛇山婉蜒之勢、龜山莊穩(wěn)之形中，創(chuàng)造赫赫有名的真武七截陣。相反，金庸里的鳩摩智，就要苦逼一些，癡迷武學，企圖“人定勝天”，煉成天下至高武功，最終卻走火入魔功力盡失。小時候看《天龍八部》，對這位可愛的吐蕃國師以及他的碩大耳垂印象極其深刻。而《射雕》里的郭靖，雖然木訥遲鈍，但單純剛直，孝義愛國，并一直勤奮苦修，得全真教道長授內(nèi)功心法，與“白富美”女主黃蓉結(jié)緣，受洪七公傳授降龍十八掌，偷吃大蟒蛇血而百毒不侵，終成金庸小說中最俠義模范和民族英雄。
 

仿生，有點“張三豐”，道法自然。
 

超構(gòu)，不會“鳩摩智”，卻有那么點“郭靖”，把看起來不可能努力變?yōu)榭赡堋?br />  

其實鳩摩智最后大徹大悟也成為一代高僧。而注意前文對超構(gòu)，metamaterials的介紹—自然界暫時沒有發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)材料幾乎不可能實現(xiàn)，artificial materials with properties not found in nature (Caloz & Itoh, 2006; Marqués et al., 2008)。
 

超構(gòu)材料，只是自然界暫時沒有發(fā)現(xiàn)而已，不代表自然界不存在。也許鳩摩智終大徹大悟，郭靖終成一代大俠民族英雄，本就是“命中注定”呢，而“貪”和“鈍”只是錘煉手段而已。“人定勝天”，更多強調(diào)人的能動性，可以在一定程度“改造”自然。當然超構(gòu)材料的定義，我覺得有點模糊不準確：暫時自然界沒發(fā)現(xiàn)，那么后續(xù)在自然界發(fā)現(xiàn)了就不能稱為超構(gòu)了？傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)，那何為傳統(tǒng)呢？也許需要對超材料具體的性質(zhì)進行定義，但是傳統(tǒng)材料無法清晰定義，傳統(tǒng)材料和超材料的界線自然無法清晰。類似“負折射率”、“負泊松比”等超性質(zhì)全部一一列舉來定義超材料也不現(xiàn)實。
 

仿生和超構(gòu)也并不是沒有交融，比如可以用超構(gòu)去仿生，抑或仿生中超構(gòu)？我在新加坡科技大學從事過一段時間金屬等離激元彩色印刷（Plasmon color printing）的工作，也沒事琢磨：金屬等離激元的性質(zhì)在自然早就存在，比如4世紀就出現(xiàn)應(yīng)用的古羅馬酒杯（Lycurgus Cup），不屬于超材料。但是Plasmon colour printing源自自然界的結(jié)構(gòu)色，還是屬于仿生?；赟i，TiO2的metasurface colour printing，我覺得就是超構(gòu)和仿生的融合。湖南大學哈工大深圳德國斯圖加特大學等課題組做出了較多出色研究成果。
 

仿生和超構(gòu)，兩朵迷人之花，結(jié)出更多碩果！