地球上有数以百万计的物种，这种非凡的形态多样性经过数百万年的进化试错不断优化，产生了无数的功能解决方案。采用基于生物信息的方法，我们可以利用这些知识进行材料创新，该方法基于对生物系统的详细准确的了解，而不是肤浅的类比。
2023年8月8日，墨尔本大学通讯作者兼第一作者Devi Stuart-Fox教授的团队，提出了三个指导原则，用于从跨学科的研讨会中得出的基于生物信息的材料创新方法。相关论文以Bio-informed materials: three guiding principles for innovation informed by biology为题，发表在Nature Reviews Materials期刊上。
【充分利用生物多样性】
多样性是自然界的特征，然而作为合成材料生物模型的物种相对较少。例如，从蜘蛛丝中获得材料启发的74%文章聚焦于一个家族（Araneidae，轮虫蛛）内的几个物种，而蜘蛛家族中包含了近5万个已描述物种的113个家族。同样，凤头鸟（Gekko gecko）完全主导了关于壁虎类黏附的文献，但它只是1000多种壁虎中的一种，每种壁虎都具有独特的表面黏附适应性。有限的生物模型的主导地位限制了生物启发材料创新的潜力。
利用生物多样性进行材料创新的一个强大方法是比较相关物种。进化从共同的祖先中生成变异，派生形式共享物质和发育约束，从而使生物根据不同的环境需求进化出多样的功能解决方案。因此，比较相关物种是理解适应（自然选择的产物）和约束的基本认识方法。然而，这种方法在生物启发材料研究中很少被应用，生物模型通常是以临时的方式选择的——通常反映了标本或合作者的可用性。
比较密切相关的物种，这些物种在大多数方面相似但在关键功能特性上存在差异，可以揭示主题的变化；材料和结构性能与所关注的环境和功能要求相关（图1a，顶部）。例如，拖线和捕获蜘蛛丝的材料特性，如断裂应变和韧性，在密切相关的物种中是可变的，并取决于蜘蛛生态学和丝线用途的差异。
同样，比较远缘相关的物种可以揭示出对类似环境的趋同和分歧解决方案，以及联系形态和功能的一般原则（图1a，底部）。例如，壁虎和鬣蜥都趋同进化出了粘附的趾垫。这些远缘相关蜥蜴群体中功能相似但形态不同的趾垫揭示了粘毛系统的基本需求。相比之下，硅藻（单细胞藻类）的硅质细胞壁（硅壳）已经进化出不同的纳米结构和层次，以适应不同的营养限制。
图1 密切相关物种之间的比较（顶部）揭示了特征如何随着环境或功能需求的不同而变化。或者，远缘相关物种之间的比较（底部）揭示了潜在的关于感兴趣特性的趋同原则。
【理解多维生物问题，寻找多功能材料解决方案】
生物解决方案反映了生物体面临的环境、材料、发育和祖先的特定组合约束。在竞争功能之间进行权衡会产生很少针对特定属性或功能而最优的解决方案，然而，旨在设计生物材料合成类似物的研究往往假设生物材料针对单一感兴趣的特性进行了优化，忽视了竞争功能和约束。尽管这种方法非常成功，但对多维生物背景的更全面理解应该能释放出开发多功能可持续材料的潜力。
这种方法可以通过为生物和合成材料定义最优标准来概念化，甚至可能实施。生物材料优化了多种功能属性的组合，可以与合成材料中所需的相比较的功能属性进行比较。最优标准的重叠区域可以帮助确定最合适的生物模型，并揭示具有最大生物信息材料创新潜力的领域。
图2 所选甲虫物种的功能需求（最优标准）的假设性多维分析。每个物种所代表的最优解决方案由其空间坐标表示。箭头表示每个功能，箭头的方向表示其与多变量轴的相关性。通过检查合成材料具有的特定期望属性与该多维空间中不同物种之间的接近程度，可以确定合适的生物模型。
以韧性为例，韧性是具有保护性外骨骼的动物（如甲虫）和对耐用合成材料感兴趣的工程师都希望具备的属性。然而，外骨骼还必须执行其他各种功能，如热调节、防水、自洁和伪装，其中一些功能可能与合成材料的功能无关。实际上，在合成材料中，许多昆虫外骨骼所特有的扭曲层叠（布利冈结构）在考虑仅韧性时被一个更简单的交叉层叠结构所超越。尽管如此，布利冈结构在自然界中的普遍存在表明，这种结构可以轻松适应除了韧性以外的特点或优势，如轻质和光操作。这种多功能性可以通过调节结构尺寸，以及融入材料复合物和/或分层特性来实现。
【拥抱材料生命周期和系统视角】
可持续性越来越成为材料和产品设计的核心考虑因素，并且生物系统本身具有自我维持和相互依赖性。在生物系统中，可持续性不仅仅在个体物种层面运作，而是在更高层次的组织中运作，例如生态系统中，不同物种扮演不同的功能角色（如初级生产者、草食动物和腐食动物）。同样地，材料的可持续性需要系统视角；它不应仅限于材料组成，还应考虑材料生产和生命周期的所有阶段。例如，系统视角考虑了原材料的开采、加工和制造过程的能源消耗、环境和社会影响，材料的使用寿命，以及材料是否以及如何可以重复使用、重新用途化或回收利用，以及材料的最终去向。
我们认为，生物信息增强的最大潜力可能在系统层面显现，而不是典型的单一材料属性或物种焦点上。这在许多生物启发倡议并没有足够考虑环境影响或只在某一个方面可持续性方面尤其相关。例如，已经开发出一种生物启发的光合作用过程，用于从太阳光中收集清洁能源，但需要使用二氧化钛纳米颗粒，这些颗粒在寿命周期结束时可能对环境有毒性。相比之下，基于菌丝体的包装和建筑材料在多个层面上是可持续的；它们可以以最小程度地依赖化石燃料的方式进行生物制造，而且完全可以生物降解。生物模型固有地表明，可持续地生产复杂功能材料和结构，同时也是可生物降解的，是可能的。我们远未完全理解，更不用说复制生物材料中合成和组装机制或系统层面的过程，但努力追求这样的洞察力应该引导生物信息设计和研究的努力。
【小结展望】
借鉴自然的设计为材料创新带来了巨大的前景，但我们尚未充分利用生物解决方案的多样性，特别是为了提高可持续性。为了实现这一目标，我们已经概述了三个指导原则。首先，我们应该通过对物种和环境进行比较研究，充分利用生物多样性，以发展更全面的生物模型。其次，必须明确并比较生物和合成材料的多维功能要求和约束。最后，拥抱生命周期和系统视角对于实现材料的可持续性至关重要。我们承认，在落实这些指导原则方面仍然存在重要的挑战，其中之一就是在规模上制造生物信息材料。应用这些原则将需要更有效的多学科整合，尤其是在生物学家、材料科学家、工程师和设计师之间。尽管具有挑战性，但我们相信，这些原则的实施可能会在材料和许多其他应用领域引发深刻的创新。
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