劉合

（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

從千百年前模仿蜘蛛織網(wǎng)發(fā)明漁網(wǎng)，到近代模仿鳥(niǎo)類飛翔發(fā)明飛機(jī)，人類一直在向大自然學(xué)習(xí)，對(duì)仿生學(xué)的使用也從無(wú)意識(shí)向有意識(shí)轉(zhuǎn)變。中國(guó)科學(xué)院院士路甬祥這么定義仿生學(xué)：仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。

進(jìn)入21世紀(jì)，仿生學(xué)的思維和方法迅速滲透到各個(gè)學(xué)科和行業(yè)，其中包括石油工程。為了系統(tǒng)、全面地推動(dòng)仿生學(xué)與石油工程的融合，2009年，中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院成立了中國(guó)第1個(gè)石油工程仿生研究部門。經(jīng)過(guò)幾年探索，在仿生泡沫金屬防砂、非光滑表面膨脹錐、仿生振動(dòng)波傳輸?shù)确矫嫒〉昧穗A段性成果，部分進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段。實(shí)踐表明，石油工程和仿生學(xué)的結(jié)合是合理可行的，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，建立“石油工程仿生學(xué)”是非常必要的。

石油工程仿生學(xué)是借鑒生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、功能等特征為石油工程技術(shù)難題提供解決方案的學(xué)科。根據(jù)石油工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀、需求和特點(diǎn)以及仿生學(xué)的整體發(fā)展水平，未來(lái)石油工程仿生學(xué)應(yīng)注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生等4個(gè)方面的系統(tǒng)性研究，以點(diǎn)帶面，形成涵蓋勘探、開(kāi)發(fā)、工程的仿生技術(shù)體系。

1）材料仿生。材料仿生是指仿制天然材料或利用生物學(xué)原理設(shè)計(jì)和制造具有生物功能甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程領(lǐng)域的材料仿生主要分為兩類：一是在機(jī)械、電學(xué)、化學(xué)、物理等方面具有仿生特性的主體材料，此類材料或在宏觀上體現(xiàn)出明顯的仿生特征，或通過(guò)外場(chǎng)刺激可調(diào)控其分子的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、表面形貌等，或通過(guò)自身特殊微納結(jié)構(gòu)形成天然材料所不具備的超常物理特性（如光學(xué)、聲 學(xué)、熱學(xué)等），具有輕質(zhì)高強(qiáng)、超隔熱、聲學(xué)隱身等特征的這類材料可用來(lái)替代石油工業(yè)中常用的鋼鐵、橡膠、陶瓷等，大幅提升現(xiàn)有材料、工具以及傳感器的性能指標(biāo)；二是具有強(qiáng)化、修復(fù)、潤(rùn)滑、保護(hù)等作用的微觀仿生材料，此類材料可提高現(xiàn)有制劑性能、界面結(jié)合效果等，多以添加劑的方式應(yīng)用。

2）表面仿生。表面仿生是指在處理對(duì)象表面實(shí)現(xiàn)類似生物的表面結(jié)構(gòu)。未來(lái)石油領(lǐng)域的表面仿生重點(diǎn)集中在仿生非光滑功能表面和仿生浸潤(rùn)性兩方面：仿生非光滑功能表面主要應(yīng)用到大量處于惡劣環(huán)境中的設(shè)備、管線、平臺(tái)中，提高運(yùn)動(dòng)組件的減阻、耐磨、脫附等性能以及非動(dòng)組件的防腐、防垢等特性，延長(zhǎng)裝備壽命，提高作業(yè)效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)；仿生浸潤(rùn)性處理使對(duì)象表面具有自清潔、親油、疏油、親水、疏水等不同浸潤(rùn)性的組合特征，從而衍生出新的功能特性。

3）信息仿生。信息仿生是對(duì)生物信息獲取、大數(shù)據(jù)處理以及生物間信息溝通、協(xié)同等特性的模擬與實(shí)現(xiàn)。石油信息仿生主要分兩類：一是借鑒生物在信息感知和傳遞方面的特性，研制新型傳感或信息傳遞裝置，提高信號(hào)采集的精度、廣度及適用范圍，該技術(shù)可用于油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精確采集以及信息的高效傳遞，提高油田生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制水平；二是在信息處理方面借鑒生物的大數(shù)據(jù)處理機(jī)理和方法，提高大數(shù)據(jù)處理能力和智能化水平，建立決策機(jī)制，并將其應(yīng)用在地震解釋、油藏認(rèn)識(shí)、開(kāi)發(fā)方案制定以及油田綜合管理等方面，促進(jìn)油田勘探開(kāi)發(fā)高效運(yùn)行。

4）工程仿生。工程仿生是對(duì)生物某種功能的模仿，注重仿生功能的實(shí)現(xiàn)，不強(qiáng)調(diào)機(jī)理相似。工程仿生主要有兩類：一是對(duì)生物功能的模仿和實(shí)現(xiàn)，注重結(jié)構(gòu)相似或生物功能的工程實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)和控制方式，促進(jìn)功能拓展，提高作業(yè)效率和便捷化程度，如模擬微生物運(yùn)動(dòng)行為而設(shè)計(jì)出的能自主進(jìn)入巖層微小孔道的微納尺度機(jī)器人；二是工程實(shí)踐方法，在石油仿生研究成果的工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中解決適用性問(wèn)題，提供切實(shí)可行的工程實(shí)踐手段。

目前，石油工程與仿生學(xué)的結(jié)合依然處于“形似”的初級(jí)階段，隨著生命科學(xué)研究水平的提高以及電子、材料、控制等學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步，人類對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)愈加深刻，將促使石油工程仿生研究成果與被模仿的生物本身越來(lái)越“神似”；反之，石油工程仿生學(xué)的發(fā)展也使得人們?cè)诳蒲袑?shí)踐中深化了對(duì)生物本身及其活動(dòng)的理解，進(jìn)一步促進(jìn)了生命科學(xué)研究，并使之有形化。