張德遠教授和他的團隊

        方向創(chuàng)立

        21世紀是一個科技迅速發(fā)展的時代，生命科學、微/納米科學、新材料科學是目前國際高科技的前沿領(lǐng)域，受到了發(fā)達國家的高度重視。而生物加工則是生命科學、微/納米科學、新材料科學交叉產(chǎn)生的新興領(lǐng)域，它的發(fā)展?jié)摿颓熬案裢庖俗⒛俊?BR>        2008年1月的最后一天，記者帶著極大的興趣和無數(shù)個問號，采訪了加工領(lǐng)域頂層新分支——生物加工的開創(chuàng)者和奠基人，北京航空航天大學的張德遠教授。
        生物加工領(lǐng)域正式創(chuàng)立于1996年。其實，早在1993年，張德遠從北京航空航天大學博士畢業(yè)留校后，就開始思考：在整個機械加工領(lǐng)域的最頂層上還有什么值得去探索和挖掘的？經(jīng)過反復縝密思慮、歸納，他發(fā)現(xiàn)：目前，所有的加工方法都是物理和化學形式，唯獨沒有生物形式，也就是說還沒有應(yīng)用生物作為加工手段來進行加工的方式。
        于是，張德遠就開始琢磨生物有沒有對材料進行加工的能力。經(jīng)過大量查閱后，他發(fā)現(xiàn)生物腐蝕中有一種對鐵、銅都有腐蝕能力的微生物，叫氧化亞鐵硫桿菌。這時，張德遠覺得眼前一亮，決心踏破鐵鞋去尋找。最后，他找到了中國科學院微生物所，在李雅芹副研究員的熱心支持下，終于找到了這種菌種。同時，張德遠提出了“生物加工”這個概念，并開始了第一種生物加工方法——生物去除成形的研究。
        同時，張德遠給國家自然科學基金委員會寫了一個關(guān)于生物加工項目的申請書，申請書報上去之后，同行給予了很好的評價，這也引起了基金委的雷源忠主任的特別關(guān)注，于是他就問張德遠：“你這個是真的嗎？能不能做出點初步的試驗給我看看？”“沒問題！”會后，張德遠馬上找來李雅芹老師商量：“咱們得趕緊用生物方法做一個微型零件出來才行啊?！?BR>        雖然沒有任何可供參考的文獻和經(jīng)驗，但他們還是說干就干。從培養(yǎng)細菌到做掩模，到最后把微齒輪做出來，只用了一個月時間，同時還對相關(guān)機理問題進行了初步的探討。緊接著，他們馬不停蹄地請國家自然科學基金委機械學科的雷源忠主任來參觀，讓專家進行認定，最終他們信服了。這樣，張德遠當時申請的8萬元青年科學基金不僅圓滿通過，還被特別追加了3萬元。 
        從此之后，張德遠一發(fā)而不可收。在多項國家自然科學基金和國家863計劃等項目資助下，接二連三地提出生物加工的其它成形方法，目前已初步形成了包括生物去除成形、生物約束成形、生物連接成形、生物復制成形、生物自組織成形、生物生長成形在內(nèi)的生物加工基本技術(shù)體系。研究成果發(fā)表在《中國科學》、《J. Applied Physics》等國內(nèi)外權(quán)威刊物，得到國內(nèi)權(quán)威學者的高度評價，引起了國際知名學者的濃厚興趣，不僅使生物加工研究方向得到了確立，同時也奠定了它在國際科技領(lǐng)域的地位。

張德遠教授

        應(yīng)用探索

        背景資料：在2000年悉尼奧運會上，人們突然發(fā)現(xiàn)游泳比賽的泳池內(nèi)許多男選手們不再赤膊上陣。在這屆奧運會上，澳大利亞本土選手伊恩·索普就是身穿黑色連體緊身泳裝，宛如碧波中前進的鯊魚，劈波斬浪，一舉奪得3枚金牌。而他身穿的“鯊魚皮泳衣”也引起了人們的廣泛關(guān)注。
        事實上，索普所穿的鯊魚皮泳衣只是人們根據(jù)其外形特征起的綽號，它并不是由真正的鯊魚皮制作的。從嚴格意義來說，它只能算是對鯊魚皮外形和結(jié)構(gòu)的簡單模仿，與真鯊魚皮的結(jié)構(gòu)和功能還相去甚遠。 
        而張德遠和他的博士生韓鑫成功地對鯊魚皮外端形貌進行了復制，所制得的仿真鯊魚皮與生物原型的相似度達到95%以上。
        記者：您是從什么時候開始關(guān)注鯊魚皮研究的？ 
        張德遠：“十一五”初期，北航有一個方向，就是研究機器魚。他們在發(fā)明機器魚時，發(fā)現(xiàn)它游得特別慢，耗能也特別大，所以就提出怎么減阻的問題。而我是搞生物加工的，于是就想：能不能造一個“鯊魚皮”放上去？因此就以這個為需求提出了研究鯊魚皮的概念。當時這個概念一提出，就得到了國防基礎(chǔ)科研重大項目的支持。
        鯊魚皮的研究，經(jīng)過了兩屆學生的潛心摸索。開始是一個碩士生，原理是出來了，但形狀不太漂亮。后來韓鑫博士取得了非常圓滿的結(jié)果，復制精度（逼真度）達到了95%，減阻效果達到了8%——這個效果非常好，形體也非常逼真。這個結(jié)果放在國際上看，也是最逼真的。像德國，他們做的是放大、抽象，是“仿”，而我們是復制，直接利用生物來進行加工。因此在這個方面，只有中國是用生物手段來做的。
        記者：為什么會把鯊魚皮作為重點研究對象？
        張德遠：因為鯊魚皮已經(jīng)得到了國際上的關(guān)注，也被老百姓所熟知所認可。奧運會上用到了鯊魚皮泳衣，但是這個作用只是局限在體育行業(yè)中，它可以快零點幾秒，所得到的效果只是零點幾秒的收益?？墒?，對國民經(jīng)濟的作用還沒有發(fā)揮出來。
        國際上試圖把鯊魚皮用到減阻上，比如船舶、管道，但是他們做的方式和工藝都不太科學。我們是用絕對逼真的手段去做的，而且材料上盡量做到高強度材料。如果用到輸油管道上，還要把海豚的緩釋和鯊魚皮溝槽同時結(jié)合起來。國外曾經(jīng)有人測試過死魚不如活魚，發(fā)現(xiàn)可能是由于活魚表面能滲透的粘液的原因。所以，我們要做就是要把這個粘液也釋放出來，要有粘液釋放的通道。這也是韓鑫博士畢業(yè)前要完成的，目前已經(jīng)取得了初步成果。學校放假前粘液已經(jīng)研究出來了，開學后就要測試這個減阻效果，肯定會有大幅度提高。這在鯊魚皮研究領(lǐng)域也屬國際領(lǐng)先水平。
        記者：那么鯊魚皮復制的研究用到了哪些技術(shù)？ 
        張德遠：通過發(fā)明的生物復制成形技術(shù)，把鯊魚皮的形貌復制下來。第一個學生沒有成功，除了經(jīng)驗不足等原因之外，當時也是在工藝探索之中，有些材料流動性差，再有成形、加壓方法、壓印技術(shù)工藝上都需要探索。后來通過韓鑫博士的深入鉆研，終于建立了較完善的生物復制成形工藝方法，得到了非常完美的鯊魚皮外形復制精度，并申報了國家發(fā)明專利，在減阻節(jié)能領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

        未來展望

        生物制造這個領(lǐng)域包括三個方面：生物加工、仿生和組織工程制造（即制造人體器官）。生物加工是直接利用生物來進行加工工程形體，和仿生不同，與仿照生物來進行加工更是兩個概念。因此，從生物制造的三個主要構(gòu)成部分來看，只有生物加工是從無到有、完全原創(chuàng)的，也是最具有挑戰(zhàn)性的。
        生物加工不是一個小發(fā)明，它是代表一個領(lǐng)域的開端，它是加工領(lǐng)域頂層的創(chuàng)新。短短幾年就提出了生物加工的6種成形方法，所以它的發(fā)展?jié)摿κ欠浅掗煹摹?BR>        記者：鯊魚皮研制成功后，可以在哪些領(lǐng)域得到應(yīng)用？它將帶來怎樣的社會及經(jīng)濟效益？
        張德遠：應(yīng)用肯定是逐步的。第一是節(jié)能，也就是在民用上。比較好實施的是用在輸油管道上，輸油管道阻力是最大的，一年耗能、運營費達到幾十個億。如果用鯊魚皮減阻，能減少8%，可節(jié)省資金幾個億?，F(xiàn)在又提出用海豚皮減阻，仿海豚緩釋作用，可以減阻30%。還有西氣東輸?shù)葒抑卮蠊艿拦こ躺隙伎梢杂玫綔p阻，所以有必要把節(jié)能作為第一項去實施。
        其次就是運輸工具，航空、航天、航海（船舶）、醫(yī)療都可以用到它。例如，把飛機表面做成這樣的溝槽結(jié)構(gòu)（鯊魚皮形狀）。在美國NASA是仿鯊魚皮，而我們是把這個直接復制到飛機上，減阻效果就比他們要好。船舶上也是，國外也有潛艇表面搞成鯊魚皮結(jié)構(gòu)的，但他們做的不逼真。再如醫(yī)療上的穿刺針頭、血管中機器人，用上這種技術(shù)可以減少痛感。還有微小機械系統(tǒng)，微型飛機、微型人造動物、微小機械都有這種需求。大家可以想象，只要運動界面上的東西都需要減阻，僅就鯊魚皮這一項，就有著十分巨大的發(fā)展?jié)摿Α?BR>        還有一項生物加工成形方法，我們正在推向工程應(yīng)用，那就是生物約束成形。在這一方向上所培養(yǎng)的蔡軍博士，獲得了2007年度全國百篇優(yōu)秀博士學位論文。生物約束成形做出的功能顆粒可以吸收電磁波?，F(xiàn)在電磁輻射污染，是國際上公認的繼空氣、水、噪聲污染之后的人類第四大污染。像手機、高壓線、發(fā)射塔這些電磁輻射都是看不見、而對人身非常有害的污染，因此要對這些電磁波進行防護、吸波。我們采取生物方法吸波效果非常好，這也得到了863重點項目的關(guān)注和資助。其核心技術(shù)就是利用生物約束成形制造吸波貼片，然后把這種貼片貼到儀器盒頂上、墻壁上、手機內(nèi)壁上，就可以起到吸收電磁輻射的作用。所以這種生物成形方法也有著很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
        隨著時間推移，生物加工這個領(lǐng)域還會逐漸擴大，原始創(chuàng)新也會一年一個樣。因為這個領(lǐng)域本身就是新的，所以創(chuàng)新的機會很多，再加上國家各方面的大力支持，一定會使它發(fā)展得更加平穩(wěn)、順利。
        記者：對于生物加工的發(fā)展前景，您有怎樣的看法和思考？
        張德遠：從整個生物加工領(lǐng)域的前景，以及研究方向的思考來看，說實話，是我自己難以想象的。但我相信這個方向肯定是往越來越好的方向發(fā)展，越來越豐富的方向發(fā)展。隨著生命科學的進步，生物加工的理論和技術(shù)形式將不斷完善和豐富；隨著從基礎(chǔ)到技術(shù)再到應(yīng)用的不斷發(fā)展，將來的理論體系、技術(shù)體系會更加完善，甚至還會導致各種產(chǎn)業(yè)的變革、不同層面的創(chuàng)新。
        我覺得應(yīng)用是科技的最高境界，所以我們要把生物加工應(yīng)用起來，逐漸擴展到各大領(lǐng)域中去，讓它用到老百姓手中去，最終的目標是為國民經(jīng)濟、為日常生活做出貢獻。將來，生物加工發(fā)揮的作用會越來越大，它在國民經(jīng)濟中的地位也會得到逐步提高。
        后面的路還很長，但發(fā)展前景是很樂觀的。所以，我現(xiàn)在就要帶起一支隊伍，讓年輕人都慢慢跟上，逐漸壯大隊伍。只有把創(chuàng)新人才培養(yǎng)起來了，才能使我們在這個領(lǐng)域永葆領(lǐng)先地位。