【国防技术】前沿颠覆性技术之生物制造技术

生物制造技术是将制造技术与生物技术相结合，在微滴、细胞和分子尺度科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品制造的科学与技术的总称。生物制造主要包括仿生制造和生物成形制造2个领域6个方面。

其中，仿生制造是传统制造技术与材料科学、生命科学、信息科学等学科领域相结合，采用生物形式实现制造或以制造生物活体为目标的制造方法，主要包括生物组织和结构的仿生，生物遗传制造和生物控制的仿生；生物成形制造采用生物方法制造复杂精密零件，主要包括生物去除成形、生物约束成形和生物生长成形。

生物制造受到许多国家的高度重视，美国早在2010年就启动主题为“制造和生物制造：先进材料与关键工艺”的高风险、高回报型竞争项目，并再次在《2020年制造技术的挑战》中将生物制造列为11个主要方向之一。目前生物制造技术已成为武器装备发展变革的重要推动力量，将可能催生新的装备制造模式和产业形态。 

生物活性组织和结构的仿生已有较成熟工程应用，正在逐步扩大应用范围和深度。以超疏水仿生材料为例，2015年，美国海军宣布为水面舰艇披上由防水材料制成的保护外衣，该外衣能有效保护舰船防被盐雾锈蚀侵害，同时可节约维护时间与费用。美国海军“麦克福尔号”驱逐舰已使用该防水外衣，并且计划采购80套。

生物遗传制造近年来进展较大，应用前景广阔，但仍有适应性、鲁棒性等问题亟待解决。其能够实现生物材料与非生物材料有机结合，并可采用遗传工程方法生产生物活性的“零部件”。2016年7月，美国凯斯西储大学打造出一款生物合成机器人，其由海参肌肉组织与3D打印零部件结合形成，只需对海参肌肉进行电击就能产生运动。不过该机器人每分钟仅能行走0.43厘米。

生物控制的仿生通过应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。目前该领域学科基础和技术尚未成熟，大多限于探索研究阶段。2013年美国陆军开发出首个意念控制假肢，其完全不需要大脑指令处理控制设备，并且只有1.8%的错误率。该假肢目前还处于探索研究阶段，未来将用于帮助致残士兵恢复行动自由。

生物去除成形通过某类菌种来去除工程材料来实现成形。目前，利用特种生物方式筛选矿种已有较广泛应用，生物刻蚀等新型微成形方式日益得到突破。2016年，欧洲研究机构采用新的变异氧化亚铁硫杆菌菌株，使得微极电路表面铜的生物加工速率提高50%以上。

生物约束成形通过对菌体再排序或微操作，实现约束成形。2012年美国乔治亚理工学院通过生物约束成形成功制备中空微纳多级结构标准微粒（图1），利用其隐身、增强等新效应、新效能显著提升了F-22整机性能。

图1 硅藻壳体的形状分类

生物生长成形通过对遗传形状及生理特征的控制，来构造产品外形并赋予生理功能，实现生长成形，目前发展十分迅速。该技术典型突破之一就是3D生物打印，其是生物生长成形与3D打印技术的完美结合范例，军事前景十分广阔。例如，2013年德国和以色列联合研究人员将大肠杆菌“打印”于纳升级的微生物细胞感测器阵列（图2）。

图2 3D打印微生物细胞感测器阵列

生物制造技术研究由宏观-微观向宏观-微观-纳观发展。随着生物、化学、物理学、机械等多学科在生物制造研究上的应用，生物制造技术研究将跨越宏观、微观乃至纳观尺度的多层次结构和功能，由表及里逐渐深入。

生物制造系统功能由单一化向复合化发展。通过改进现有设备工具，或设计制造新型高效设备工具，生物制造系统将实现结构更轻便、质量更小、精密程度更高。此外，复合生物制造系统将具有更好的环境适应能力，生物运动过程中开闭链的相互转换和复合、非连续变约束复合生物制造系统设计创新将成为研究热点。

生物制造材料向结构/驱动/材料一体化方向发展。基于智能生物材料与仿生生物结构，开展材料、结构、驱动一体化的高性能生物制造系统研究，建立验证平台，实现一体化设计关键技术验证，解决典型复杂生物制造系统的瓶颈问题，是未来的发展方向。

生物制造技术的控制方式由传统控制向神经元精细控制发展。在未来的发展中，生物制造技术将摒弃传统的控制方式，在仿生控制方式基础上，通过神经元进行精细控制，并在多感知信息融合、远程监控、协调控制等方面获得突破，实现更加精确、适应性更高、响应更加快速的控制过程及良好的环境感知能力。

生物制造技术由低效机械能量转换向高效生物能量转换发展。随着机械系统能源问题的日益突出，高效能的生物制造系统必然成为发展趋势之一。未来，生物制造技术将围绕能量转换的功能/效率/质量/损耗，研究生物制造过程的能量传递和转换机理及其与生物制造系统之间的关系，提高生物制造系统的能量利用率，降低能耗。

生物制造技术将为武器装备研制提供最新设计理念、最优解决方案和最佳实际效能，成为重要创新手段。DARPA从2011年开始就启动了“生命工厂”（ATCG）研究计划，利用生物制造技术开展规模化生产。目前，该计划已经进入第二阶段，较之传统的机械制造开发模式，ATCG计划提供的生物制造技术方案节约时间与成本至少10倍以上。

生物制造技术有助于加速传统工程制造转向生命制造的工程新模式转变，实现装备的人工选择、定向进化和按需设计。生物制造技术将突破传统工程制造空间、时间、并行等物理极限，为催生颠覆性武器装备提供技术引领。2014年，麻省理工学院通过基因工程培养了一种细菌，能结合贻贝分泌的蛋白合成强力“万能胶”，用于水下装备不同材料间的黏合，有望为水下连接技术带来革命性变化。

 生物制造技术能够为武器装备提供超性能全新作战系统，有望打造未来超级战士与智能军事系统。生物制造技术的发展将带来新的研发模式，使人和武器形成一个紧密融合的装备系统。2014年，DARPA“战士网套”项目旨在通过生物制造技术研制重量轻、不走形的内衣，其能够在增强士兵的负重能力、防止骨骼肌损伤、加快肌肉拉伤后的康复速度的同时，大幅提高作战能力。

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