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生物技术重塑制造业

发布时间:2019-10-12 19:19:40 编辑:笔名

据英国《每日邮报》报道,美国普林斯顿大学的研究人员近日利用3D打印技术制造出了一个仿生耳。这一研究的更重要意义在于,希望借此探索出电子材料和生物材料结合的新方法。

得益于信息技术的渗透,在过去几十年中,制造业取得了快速发展。如今,生物技术正引领新一轮的科技浪潮,其与制造技术的结合——生物制造,将带来新的变革。

生物制造改变生活

事实上,在前述仿生耳之前,人们就已经开始了生物制造方面的探索。比如在2000年悉尼奥运会上走红的“鲨鱼皮”游泳衣,就是生物技术和制造技术结合的典型案例。

按照清华大学机械工程系教授颜永年等人的定义,宽泛的生物制造包括仿生制造、生物质和生物体制造。可以说,涉及生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造。

那么,生物制造的应用领域主要有哪些?

北京航空航天大学仿生与微纳生物制造技术研究中心的副教授陈华伟,在近日举行的2013先进智能制造技术发展研讨会上介绍说,生物制造主要分四个领域,分别是生物加工成型、组织器官制造、机械仿生制造和生物机电系统制造。

而今,学术界和产业界在上述四个方向上均有所探索,并将对传统制造业和人们的生活产生深远影响。

以生物加工成型为例。按照业界定义,生物加工成型指的是直接利用生物原型或生物材料制造出生物形体基产品,或是利用生物的加工特性,加工成型复杂零件。

与传统的物理和化学加工成型相比,生物加工成型具有高效成型的优势,可用于制造功能涂层材料、高效交通界面和微创机械界面。

目前,生物加工成型的价值已经开始显现。如2008年中国民航消耗航空煤油1175万吨、摩阻为40%,而采用生物加工成型的减阻表面可减少3%的油耗,相当于节省胜利油田单月原油产量。再比如,每年1700万人死于心血管疾病,仿生减阻内壁的人工血管则能确保顺畅的血液循环,提高器官存活几率,避免心肌梗塞。

此外,生物加工成型还具有资源循环的优势。在实现可持续制造、减少环境污染等方面有着重要的意义。

目前自然界中有100多万种微生物,30万种植物,而在动物中,昆虫就有100多万种。在陈华伟看来,应该最大程度借鉴自然界中生物系统的原理,设计制造结构更合理、过程更绿色、性能更优异的材料、结构和系统。

除了生物加工成型,利用生物制造技术,还可以进行组织器官的制造,目前比较热门的3D生物打印即属于此类。此外,生物制造还可以通过模仿生物材料形态,设计制造出具有生物表面或是生物结构功能的产品。

比如,吉林大学的相关学者就以仿生非光滑理论为依据,与金刚石钻头的结构设计制造理论和技术紧密结合,来实现钻头的脱附、减阻力和耐磨,从而提高钻头的效率和寿命。

生物制造还有一个重要的方向是生机电一体化制造,即模仿生物的结构材料、运行状态和功能方式,设计制造具有生物特征的产品。

这种制造方式将对人们的生活产生重要影响。比如,随着生机电一体化技术的进步,假肢将从机械控制发展到神经控制,并最终发展成可以灵活控制的智能假肢。未来还会产生基于生机电一体化技术的健康监测贴片,可对人体的循环系统进行实时监测,这无疑是未来健康云构建的重要基础。

如何把握机会

对于生物制造的前景,陈华伟表现得很乐观。他指出,人类的历史分别经历了农业经济时代、工业经济时代和信息经济时代,现在业界普遍认为,下一个时代将是生物经济时代。因此,生物制造技术将大有可为。

事实上,生物制造已经得到了多方的重视。美国科学基金会发布的《2020年制造业挑战的展望》中,将生物制造列为高新科技的十个主要方向之一。我国2011年发布的《中国机械工程技术路线图》则将仿生制造列为机械工业重点发展的六大主题之一。

按照国家《生物产业发展“十二五”规划》,到2015年,我国生物制造产业年产值达到7500亿元。

面对生物制造的广阔前景,中国该如何把握机会?

陈华伟指出,生物制造属于交叉学科,涉及的生物类学科包括医学、生物学、仿生学、生态学等,非生物类学科则包括机械、材料、物理、化学、信息和自动化等等。

他建议创立“生物制造”新学科,加大学科交叉和协同创新的力度。

同时,陈华伟认为还要加大产业调整和战略投入力度,丰富生物制造装备体系,拓展生物制造产品体系,以推动生物制造这一新兴产业的发展。

“希望在2020年以后,生物和仿生制造产品和产业能成为先进制造的一个重要领域,并在国民经济中占相当的比重。”陈华伟说。

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