学号:15307110247 姓名:黄雪栋课程名称:改变生活的生物技术 纳豆细菌及生物膜技术制作新型散热服饰 15307110247黄雪栋 摘要:本文介绍了麻省理工大学的 Tangible Media Group研发的一种利用纳豆枯草 芽孢杆菌对湿度敏感的特性实现散热的衣服面料。本文从该种生物技术的原理、 应用以及优缺点进行了介绍与讨论 关键词:纳豆枯草芽孢杆菌散热新型衣服面料 引言:现代生物技术在日常衣服制作、纺织行业上的应用颇为丰富,例如转基因 棉花可以改善制造衣服所用棉花的产量以及质量;利用仿生学研制出强度超高的 蛛丝纤维”,从而制造出轻盈坚韧的面料;而竹纤维的研发则是让日常衣物有 着良好的透气性、吸水性,并有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线等功能 近年,为进一步改善衣服透气性以及排汗的问题,来自麻省理工大学的 Tangible Media Group正在研发一种新的衣服面料。不同于以往采用电机等来实现散热效 果,他们小组完美地利用了纳豆细胞的特性,将生物技术应用到衣服中,实现了 新颖的透气式衣服 基本原理 自然生活中,花开花落,往复循环,生物传感器( biological sensors)、驱动 器( biological actuators)无处不在,将自然中的生物体结合到设计与工程当中引 起了人们极大的兴趣。这个小组也在此基础上提出了一种新的应用类型,生物细 胞传感器、驱动器。于是他们便采用了纳豆枯草芽孢杄菌(图1、2)对湿度敏 感的特性来研制这种特殊的面料。 图1纳豆枯草芽孢杆菌 图2纳豆枯草芽孢杆菌
学号：15307110247 姓名：黄雪栋 课程名称：改变生活的生物技术 纳豆细菌及生物膜技术制作新型散热服饰 15307110247 黄雪栋 摘要：本文介绍了麻省理工大学的 Tangible Media Group 研发的一种利用纳豆枯草 芽孢杆菌对湿度敏感的特性实现散热的衣服面料。本文从该种生物技术的原理、 应用以及优缺点进行了介绍与讨论。 关键词：纳豆枯草芽孢杆菌 散热 新型衣服面料 引言：现代生物技术在日常衣服制作、纺织行业上的应用颇为丰富，例如转基因 棉花可以改善制造衣服所用棉花的产量以及质量；利用仿生学研制出强度超高的 “蛛丝纤维”，从而制造出轻盈坚韧的面料；而竹纤维的研发则是让日常衣物有 着良好的透气性、吸水性，并有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线等功能。 近年，为进一步改善衣服透气性以及排汗的问题，来自麻省理工大学的 Tangible Media Group 正在研发一种新的衣服面料。不同于以往采用电机等来实现散热效 果，他们小组完美地利用了纳豆细胞的特性，将生物技术应用到衣服中，实现了 新颖的透气式衣服。 1. 基本原理 自然生活中，花开花落，往复循环，生物传感器（biological sensors）、驱动 器（biological actuators）无处不在，将自然中的生物体结合到设计与工程当中引 起了人们极大的兴趣。这个小组也在此基础上提出了一种新的应用类型，生物细 胞传感器、驱动器。于是他们便采用了纳豆枯草芽孢杆菌（图 1、2）对湿度敏 感的特性来研制这种特殊的面料。 图 1 纳豆枯草芽孢杆菌 图 2 纳豆枯草芽孢杆菌
学号:15307110247 姓名:黄雪栋 课程名称:改变生活的生物技术 1.1纳豆枯草芽孢杆菌的特性 纳豆枯草芽孢杄菌有着对湿度敏感的特性。通过改变其细胞周围的相对湿度 ( relative humidity,RH),细胞大小能够改变50%。所以小组的主要想法是将细 胞与生物膜相结合,通过湿度改变来改变生物膜的伸展、弯曲。为探查能够收缩 变换形态的原因,这个小组也尝试过将细胞中内蛋白分离进行实验,生物膜也会 有弯曲的反应,但反应较慢且反应程度低,可能是缺乏细胞骨架等的原因还在进 步研究 1.2生物膜的构建 他们所构建的生物膜由细胞层以及基层构架(最理想基层由02mm胶乳、 03mil聚酰亚胺、0.3 milLET组成)组成(图3)。可以看到,随着湿度的改变, 生物膜在发生弯曲。这是由于湿度大时,几乎所有细胞都能接触到水分,体积均 匀变大,生物膜较大但不发生弯曲:湿度较小时,外层细胞吸水少,体积较小 而内层体积较大,所以生物膜发生弯曲。这种生物膜便是构建生物细胞传感器、 驱动器的基础。 RH:90% Cell 〔H:30% H20 Substrate 5um 图3生物膜构成及特性 1.3生物传感器、制动器构建 通过在生物膜不同位置涂上细胞层,便可实现直角弯曲与弧形弯曲,有这两 种最基础的弯曲,便可设计出一维、二维、三维等的不同生物细胞传感器与驱动 器,实现不同情况下的翻折与弯曲(图4)
学号：15307110247 姓名：黄雪栋 课程名称：改变生活的生物技术 1.1 纳豆枯草芽孢杆菌的特性 纳豆枯草芽孢杆菌有着对湿度敏感的特性。通过改变其细胞周围的相对湿度 （relative humidity，RH），细胞大小能够改变 50%。所以小组的主要想法是将细 胞与生物膜相结合，通过湿度改变来改变生物膜的伸展、弯曲。为探查能够收缩 变换形态的原因，这个小组也尝试过将细胞中内蛋白分离进行实验，生物膜也会 有弯曲的反应，但反应较慢且反应程度低，可能是缺乏细胞骨架等的原因还在进 一步研究。 1.2 生物膜的构建 他们所构建的生物膜由细胞层以及基层构架（最理想基层由 0.2mm 胶乳、 0.3mil 聚酰亚胺、0.3milPET 组成）组成（图 3）。可以看到，随着湿度的改变， 生物膜在发生弯曲。这是由于湿度大时，几乎所有细胞都能接触到水分，体积均 匀变大，生物膜较大但不发生弯曲；湿度较小时，外层细胞吸水少，体积较小， 而内层体积较大，所以生物膜发生弯曲。这种生物膜便是构建生物细胞传感器、 驱动器的基础。 1.3 生物传感器、制动器构建 通过在生物膜不同位置涂上细胞层，便可实现直角弯曲与弧形弯曲，有这两 种最基础的弯曲，便可设计出一维、二维、三维等的不同生物细胞传感器与驱动 器，实现不同情况下的翻折与弯曲（图 4）。 图 3 生物膜构成及特性
学号:15307110247 姓名:黄雪栋 课程名称:改变生活的生物技术 Primitives Transformations Lnear ○○O字 8 Streess 图4通过生物膜弯曲构建多维生物传感器、驱动器 2.技术应用 2.1衣服面料应用 人们总是希望衣服的面料具有透气性良好的特点,从棉制到纤维制都在不停 地探索。这种新型的生物传感器可制作成散热良好的衣服,其工作的原理便是在 不同湿度环境下会发生弯曲(图5):流汗多,较热的情况下,衣服的背部往外散 开,敞开一个个小空洞,加快散热(图6);在正常情况下,处于合拢状态,可 减少热量散失,如同动物鳞片一样开合,便可保持一个舒适的环境。(图7、8) B 图5湿度不同下发生弯曲 图6新型散热方式
学号：15307110247 姓名：黄雪栋 课程名称：改变生活的生物技术 2. 技术应用 2.1 衣服面料应用 人们总是希望衣服的面料具有透气性良好的特点，从棉制到纤维制都在不停 地探索。这种新型的生物传感器可制作成散热良好的衣服，其工作的原理便是在 不同湿度环境下会发生弯曲（图 5）:流汗多，较热的情况下，衣服的背部往外散 开，敞开一个个小空洞，加快散热（图 6）；在正常情况下，处于合拢状态，可 减少热量散失，如同动物鳞片一样开合，便可保持一个舒适的环境。（图 7、8） 图 4 通过生物膜弯曲构建多维生物传感器、驱动器 图 5 湿度不同下发生弯曲 图 6 新型散热方式
学号:15307110247 姓名:黄雪栋课程名称:改变生活的生物技术 图7新型散热性衣服 图8新型散热性衣服 2.2其他应用 这种生物细胞传感技术的特点主要在于其能根据外界环境的不同改变自身 形态,实现传达信息的作用。其在其他方面的应用还有待开发。该小组还列举了 几种生活上的作用,例如通过感知湿度调节光亮的台灯(图9)、能够自己活动 的折纸玩具等(图10)。 图9自动调节光亮台灯 图10自由活动的折纸 3.技术优缺点 3.1优点
学号：15307110247 姓名：黄雪栋 课程名称：改变生活的生物技术 2.2 其他应用 这种生物细胞传感技术的特点主要在于其能根据外界环境的不同改变自身 形态，实现传达信息的作用。其在其他方面的应用还有待开发。该小组还列举了 几种生活上的作用，例如通过感知湿度调节光亮的台灯（图9）、能够自己活动 的折纸玩具等（图10）。 3. 技术优缺点 3.1 优点 图 7 新型散热性衣服 图 8 新型散热性衣服 图 9 自动调节光亮台灯 图 10 自由活动的折纸
学号:15307110247 姓名:黄雪栋 课程名称:改变生活的生物技术 通过该种技术设计出来的新型散热型服饰的优点是非常明显的,首先,它能 够自我进行调节来实现散热,不需要个人进行操作,能够方便人们的生活;另外, 这种服饰的散热原理,是一种不依靠电力、电导线、电器的方式,更安全;其次, 这种服饰只是在面料上做了改变,没有加入新的东西,服饰依旧贴身舒适。最后, 在实验研发初期担心的纳豆细菌对人造成影响的情况也没有发生,正是因为纳豆 已早已作为食物进入了人们的生活,而不需担心其会带来危害。 这种通过细胞对环境做出的反应来设计的弯曲式散热面料给了人们很大的 启示,该小组也在寻找其他的一些发展,例如发光性生物细胞传感器与人类生活 相结合。 3.2缺点 该种服饰的美观以及对不同人的实用效果还等待进一步验证。以及由于该种 方法研发不久,投入产业可能还有一些困难。如何将人类所需的最适宜温度湿度 与纳豆细菌体积变化的湿度完美契合也是一个所需要解决的问题 参考文献 [1]赵永霞,陈余.生物技术在纺织行业的应用[J].纺织导报,2011(11):87. [2] Yao L, Ou J, Cheng C Y, et al. bioLogic: Natto Cells as Nanoactuators for Shape Changing Interfaces[J]. 2015: 1-10 [3] Wang W, Yao L, Cheng C Y, et al. Harnessing the hygroscopic and biofluorescent behaviors of genetically tractable microbial cells to design biohybrid wearables[JI Science Advances, 2017, 3(5): e1601984
学号：15307110247 姓名：黄雪栋 课程名称：改变生活的生物技术 通过该种技术设计出来的新型散热型服饰的优点是非常明显的，首先，它能 够自我进行调节来实现散热，不需要个人进行操作，能够方便人们的生活；另外， 这种服饰的散热原理，是一种不依靠电力、电导线、电器的方式，更安全；其次， 这种服饰只是在面料上做了改变，没有加入新的东西，服饰依旧贴身舒适。最后， 在实验研发初期担心的纳豆细菌对人造成影响的情况也没有发生，正是因为纳豆 已早已作为食物进入了人们的生活，而不需担心其会带来危害。 这种通过细胞对环境做出的反应来设计的弯曲式散热面料给了人们很大的 启示，该小组也在寻找其他的一些发展，例如发光性生物细胞传感器与人类生活 相结合。 3.2 缺点 该种服饰的美观以及对不同人的实用效果还等待进一步验证。以及由于该种 方法研发不久，投入产业可能还有一些困难。如何将人类所需的最适宜温度湿度 与纳豆细菌体积变化的湿度完美契合也是一个所需要解决的问题。 参考文献 [1]赵永霞,陈余.生物技术在纺织行业的应用[J].纺织导报,2011(11):87. [2] Yao L, Ou J, Cheng C Y, et al. bioLogic:Natto Cells as Nanoactuators for Shape Changing Interfaces[J]. 2015:1-10. [3] Wang W, Yao L, Cheng C Y, et al. Harnessing the hygroscopic and biofluorescent behaviors of genetically tractable microbial cells to design biohybrid wearables[J]. Science Advances, 2017, 3(5):e1601984