在哈佛大学Wyss生物启发工程研究所位于波士顿的总部，精神焕发的Don Ingber穿梭于弥漫着氯气味的实验室、玻璃隔间的办公室和黑暗的房间之间。
不到五分钟，这位56岁的研究所主任Ingber就介绍了一个可以预防新生儿危及生命的睡眠呼吸暂停的床垫；利用微芯片制造技术制造的模拟人肺、肠和心脏的硅橡胶制品；以及一台能诱导细菌突变、指导其进化以生产低成本生物燃料和药物的机器。
他不止一次地停下来，为研究的广度而感到兴奋。“内容太多了，”他说。“简直令人难以置信。”
这家成立4年的研究所设有六个核心研究领域，专注于广泛的技术，从癌症疫苗到用于授粉的机器人蜜蜂。研究所的18名核心教职员工大部分时间在其他学术部门和Wyss研究所之间分配，在那里他们共享多学科实验室空间，促使机器人专家和生物学家、化学家和计算机科学家、临床医生和工程师们集思广益，共同推进他们的项目。
Wyss研究所最与众不同之处在于，其科学家们将自然界视为他们的灵感源泉。这不仅仅是模仿自然的方法，而是吸收自然的经验，然后加以改进，创造出全新的事物。
例如，Wyss研究所的化学家Joanna Aizenberg从捕食昆虫的猪笼草的滑溜溜的表面借鉴了一个新型不粘材料的概念。但Aizenberg并非仅仅模仿植物的技术——她对其进行了改进，然后开发出用于现实世界的原型（参见本文第3页的“超级滑块”）。
一种新的感官
有些科学家满足于在期刊上发表他们的想法，然后继续进行下一个实验。但对于Wyss研究所的研究人员来说，转化一直是最重要的目标。2005年，当哈佛大学成立一个委员会设想生物工程的未来时，Ingber（以及哈佛大学生物工程师David Mooney）被选中领导这项工作。
Ingber并非不擅长跨学科研究。他第一次重大的科学洞察源于他在耶鲁大学一年级时选修的一门雕塑课。教授向班级展示了一件由木销和弹性绳索制成的抽象雕塑。它是根据一种名为“张力结构”的建筑概念建造的，即物体的结构稳定性源于其各部分之间的张力。
Ingber看着老师向下按压雕塑，将其压平。他施加的能量被储存在结构中，当他放手时，雕塑便恢复到其正常直立的形态。几天前，生物化学专业的Ingber在他工作的癌症研究实验室里看到细胞出现类似的情况：细胞会粘附在培养皿底部，在其下方变平，然后释放时弹回更圆的形状。
Ingber深信张力结构同样适用于细胞。当他提出挤压或按压它们可能会影响其功能时，“人们认为我疯了，”Ingber说。但在过去的几十年里，他的工作证明了并非如此。例如，他已经证明，对细胞施加机械力可以激活细胞信号传导。
Wyss研究所拥有一套加工工具，其中包括3D打印机（右侧展示了一台），可以根据计算机生成的图纸制作三维物体。这个全景图是由七张照片合成的。| Rick Groleau/Wyss Institute
在马萨诸塞州剑桥举行的第一次委员会会议上，Ingber发现自己被其他突破性研究的科学家包围——物理学家在生物学期刊上发表文章，生物学家在物理学出版物上发表文章。该小组决定成立一个研究中心，这个中心不仅容忍，而且鼓励同样的跨学科感悟，其思想将受到关于自然如何构建的日益增长的知识的启发。
瑞士出生的亿万富翁Hansjörg Wyss，哈佛商学院校友，非常喜欢这个想法，于是他捐赠了哈佛大学历史上最大的一笔捐款，1.25亿美元，以促成此事。学校任命Ingber负责管理。
独自探索
Ingber和我停在一个闪闪发光的、面积500平方英尺的实验室里，那里有宽敞高挑的天花板。站在一张黑色的台面上，Ingber拿起一双连接着小型电池组的超大号鞋垫。他解释说，老年人由于脚部神经敏感性丧失，常常会遇到平衡问题。鞋垫产生的振动可以抵消这些影响。
使其奏效的关键不在于寻找理想的振动频率，而是认识到自然界中的复杂系统——例如天气——如何对环境中的随机信号做出反应。生物医学工程师James Collins，鞋垫的发明者，知道走路本身就是一个复杂的系统——地面、行人的鞋子、无数传递到脚部的神经以及控制整个过程的大脑之间的动态相互作用。
Collins怀疑一个人的步态可能像天气一样容易受到随机信号的影响，于是他尝试向老年受试者的脚部发送随机脉冲。果然，信号起作用了。受试者脚部神经的敏感性得到了如此彻底的恢复，以至于他们能够以20岁年轻人的平衡能力行走。
然而，这双鞋垫几乎没有实现。Collins十多年前就开发了这项基本技术，并成立了一家公司，将他的原型转化为实际产品。但到2009年，经济不景气使得该项目仍处于初创原型阶段。这本可能就是它的终结——又一个有前途但未能实现的设想。
但当Collins于2010年加入Wyss研究所时，Ingber鼓励他复活该项目。Collins与由行业资深人士组成的研究所高级技术团队合作，改进了鞋垫的舒适性，并控制了制造成本。现在，鞋垫已经从类似巨人的矫形器般的怪物变成了小巧精致的造型。它们即将进入临床试验，如果成功，可能会在不久之后上市。
并非所有Wyss研究所的发明都如此容易辨认。Ingber停留的下一个装置看起来相当普通，有一个方形底座、一个智能手机大小的LCD屏幕、一对红色塑料旋钮以及几个用于收集血液样本的接口。他取下了圆形塑料顶盖的一半，露出了里面更复杂的内部结构，里面布满了阀门、马达和电子元件。
这项发明通过磁力从血液样本中提取病原体，以诊断败血症，这是一种由多种细菌、真菌和病毒引起的致命炎症。败血症感染每天在全球造成超过1400人死亡。通常情况下，医生需要数天才能通过培养鉴定病原体。在他们知道问题的具体原因之前，他们无法选择合适的治疗方法。
眼前的设备借鉴了人体免疫系统的工具：称为调理素的分子，它们会结合病原体，将其标记为待摧毁。该设备中的调理素是天然调理素的基因改造变体，每一种都附着在微小的磁珠表面。
当感染的血液通过机器时，调理素会附着在病原体上。设备内置的磁铁会拉动磁珠，将病原体连同血液一起吸出。最后，内部的显微镜会扫描过滤出的病原体，使科学家能够识别出罪魁祸首，从而提供快速治疗。
磁珠是Ingber的想法，是他从耶鲁大学开始的工作的延续。高级技术团队的成员Michael Super是调理素专家，他负责基因改造该分子以提高其效率。就连机器的螺丝钉都可以追溯到Wyss研究所的生产线。Ingber迅速取下一个装有血液和其他液体的腔室，解释说它是用几步之外的3D打印机制造的。
这项设备让Ingber感到兴奋，不仅因为它 brainchild。从这次参观可以看出，他最自豪的是那些正在走出实验室并走向世界的发明：他说，研究所真正的成功衡量标准将是未来五年内成立的公司和授权的技术。Ingber相信Wyss研究所会取得成功。“我们建立了一种新的创新模式，”他宣称，这种模式应该能以“前所未有的速度”提供技术解决方案。
抗癌工厂
生物工程师David Mooney将一个抗癌工厂压缩到一个看起来像阿司匹林药片大小的装置中。有了这项新技术，他旨在改善黑色素瘤的治疗，这是一种致命的皮肤癌，在转移后诊断的患者中，其死亡率高达85%。
首先，Mooney的团队对一只肿瘤小鼠进行了活检，分离出了一些肿瘤蛋白，并将它们装入药片中。药片是一种可生物降解的塑料装置，其多孔性高达90%是空气。他们还在药片中填充了GMC-SF（粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子），这是一种已知能吸引免疫细胞的促炎蛋白。
然后，他们将药片植入小鼠皮下。正如预期的那样，GMC-SF触发了红色警报，吸引了大量免疫细胞涌入这个微小的装置。一旦进入，这些免疫细胞就接触到了肿瘤蛋白，并学会了识别它们。
不久之后，药片的内容物，包括训练有素的免疫细胞，被输送到淋巴结，淋巴结是帮助身体识别和抵抗病菌的生物哨所。一旦在淋巴结中定居，这些训练有素的免疫细胞就会教会未受训的同类识别肿瘤并进行攻击。“我们能够通过这个装置输送数百万个细胞，产生非常强大的抗癌细胞免疫反应，”Mooney说。
2009年，Mooney报告称，该装置使40%的转移性黑色素瘤小鼠肿瘤完全消退。然而，如果不是Wyss研究所，该项目可能会停滞不前。在Wyss研究所，Mooney与合作者一起开发了高效且低成本的制造技术，并为抗癌工厂的人体试验做准备。第一次试验将在今年在Dana-Farber癌症研究所进行，受试者将不到十名。
迷你脑震荡
生物工程师Kit Parker，美军少校，2009年在阿富汗服役时，一枚爆炸物击中了其车队的领头车辆。在这场撞击中，驾驶员和车辆指挥官遭受了严重的脑震荡。他们的行为表明，士兵们遭受了创伤性脑损伤（TBI），这可能导致灾难性的长期影响，包括认知和精神障碍、癫痫以及早发性阿尔茨海默病。
“我当时心想，‘这方面没有急救措施，’”Parker说。如果这些人肢体骨折，他可以打上夹板，但他知道当时没有办法立即阻止士兵大脑中发生的损伤化学反应的连锁反应。于是他回到实验室，自己寻找解决办法。
Parker想出的解决方案是一个“芯片上的大脑”，一个受损大脑的模型，这是理解TBI影响及其如何阻止的第一步。为了模拟微型大脑，Parker和他的团队从一张指甲盖大小的弹性基底开始，然后在上面添加一层细胞以模仿大脑的血管网络。
为了模拟简易爆炸装置对血管组织的创伤性影响，Parker和他的团队使用了一个高速马达，在几微秒内将弹性基底拉伸了五分之一英寸，然后释放。约90分钟后，当他们分析基底样本时，他们没有发现细胞死亡增加或简单的撕裂的迹象。
但他们确实发现，拉伸的细胞对一种促进血管收缩的蛋白质非常敏感。对Parker来说，这些结果表明，头部创伤会启动一系列化学反应，导致大脑血管收缩和重塑。Parker推测，随着时间的推移，这种影响会导致抑郁症和各种神经退行性疾病等长期后果。
Parker希望最终能利用“芯片上的大脑”来测试能阻止这一过程的药物。如果一种化合物在模拟爆炸后立即施用，就能阻止化学反应的连锁反应，那么它就可以在伤口现场使用，就像士兵给骨折的肢体打夹板一样。
超级滑块
化学家Joanna Aizenberg从食虫植物猪笼草的超滑叶子中获得了她最新创新的灵感。然后她对自然进行了改进，创造了永久性的不粘表面，可以保持人造墙壁没有昆虫侵扰，防止冰粘附在飞机机翼上，并抑制与体液持续接触的医疗设备上的细菌生长。
潮湿时，猪笼草的叶子几乎没有摩擦力：昆虫会滑到表面进入植物内部，然后被植物缓慢消化。这种技术在自然界中有效，因为雨水会定期补充表面光滑所需的湿润。
Aizenberg知道复制这种技巧是徒劳的：一种需要不断补充新液体才能保持无摩擦的人造材料价值有限。相反，Aizenberg需要找到一种方法将润滑剂固定到位。为此，她测试了几种候选材料，并最终选择了两种：特氟龙和环氧树脂，这两种材料都具有高度多孔性。
然后，她将一系列样品润滑剂倒在每种多孔材料的小片上。润滑剂渗入其中，液体液滴附着在每个孔的表面。接下来，她用气枪吹掉多余的液体，留下光滑的液体表面。实验室测试表明，血液、污垢、油和冰都能在锁定的液体上自由滑动，而不会
取代任何一种。特定的润滑剂和她选择的基底材料都不重要。表面还能自愈：当Aizenberg将中心切开时，剩余的润滑剂涌入并填补了新的间隙。
Aizenberg现在正与Wyss高级技术团队合作，为她的发明寻找第一个应用，该发明被称为“滑液浸渍多孔表面”，简称SLIPS。他们测试的润滑剂之一已获得FDA批准用于接触血液，因此他们正在探索将该材料用于输血和医疗设备（包括Ingber的败血症设备）的可能性。
