合成生物学、超材料和人工智能的融合将出现颠覆性技术突破

21世纪是多元化的世纪，被称为生命医学、纳米材料以及信息化的时代，其间诞生的合成生物学（synthetic biology）、超材料（metamaterials）和人工智能（artificial intelligence，AI）学科引起了各国政府和国内外学者的广泛关注。

合成生物学与超材料学科不仅诞生时间和发展历程非常接近，而且具有非常类似的概念内涵，并在2010 年同时被《Science》杂志评为“21 世纪前十年自然科学领域的十项重大突破”。

人工智能从名称来看包含两个部分：“人工”和“智能”，其中“人工”指的就是由人工设计、人工创造和制造，而“智能”则来自于生物和活体，这表明人工智能与合成生物学、超材料同样具有天然融合的概念内涵。

合成生物学、超材料和人工智能3个学科的交叉融合会发生什么？论文提出了生物超材料/超生物材料、智能超材料、智能合成生物学/生物人工智能、智能生物超材料等概念，并展望了潜在应用前景。

合成生物学定义为基于基因或蛋白质等生物元件，通过工程学原理与现代生物学相结合，利用人工设计与合成方法实现改造现有生命体系甚至设计制作全新的生命体系。

超材料用来描述自然界不存在的、人工制造的非活体复合材料或结构。

人工智能中“人工”指的就是由人工设计、创造和制造，而“智能”则来自于生物和活体。

合成生物学、超材料和人工智能3个学科的交叉融合如图1所示。

生物超材料/超生物材料

生物超材料/超生物材料是合成生物学与超材料的融合，有望实现具有自然界不存在特性的活体复合材料或结构。

如图2所示，传统的超材料只能对外界输入的信息按照设计的结构和编码做出响应，而生物超材料能对外界信息按照生物响应机制做出智能化的响应。

其潜在应用包括医疗健康、新能源、环境保护、生物医药与细胞组织工程等领域。

智能超材料

智能超材料是超材料与人工智能学科的融合，其主要特点是能够快速灵活产生和响应复杂而有特定目标的力、声、电、磁和热信号。

狭义的智能超材料是低阶人工智能与超材料的融合，在单元结构设计、结构排列方面具有数据处理量大、响应速度快的优点（图3）。

广义的智能材料则是高阶人工智能与超材料的融合，不仅可以快速处理大数据，而且能够主动感知外界复杂环境，提取有用信息并作出合理响应的人工智能复合材料或结构（图4）。

智能超材料将在未来5G/6G通信、增强虚拟现实、智能军事装备、无人驾驶、空天一体化网络、智慧城市、太赫兹技术等领域得到大规模推广和应用。

智能合成生物学/生物人工智能

智能合成生物学/生物人工智能是人工智能与合成生物学的融合，一方面是智能全自动一体化生物合成流程；

另一方面，推动低阶人工智能向高阶人工智能的发展。

智能合成生物学/生物人工智能将在健康医疗、生物医药、复杂信号感知与识别、高性能仿真与计算等领域实现颠覆式的产业应用。

智能生物超材料

智能生物超材料是合成生物学、超材料和人工智能有机融合的一个新概念（图5），涉及领域多、研究难度大,但可实现三者的优势互补、互相融合。

特点和优势主要有：

1）通过综合应用人工智能，快速设计自然界中不存在的单元结构，获得复合材料或结构；

2）包含的概念和内涵会日益广泛；

3）研究内容上的互相统一、研究方法上的互相借鉴，进而推动三者一体化协调发展。

结论

本文提出了智能生物超材料的概念，通过合成生物学、超材料与人工智能的融合，发展出生物超材料/超生物材料、智能超材料、智能合成生物学/生物人工智能、智能生物超材料的新概念。

智能生物材料所带来的的颠覆性技术将推动人类的进步，未来应用前景广阔，中国应该积极进行战略布局，抢占发展先机。