當你走進哈佛大學教授喬安娜·艾森伯格的角落辦公室時，你首先注意到的就是那些玩具。她的書桌後面放著一個沙錢，一個裝在盒子裡的天藍色蝴蝶，一個塑膠支架，上面插著長長的纖維，拉動開關時會迸發出色彩，還有隨意擺放的幾排玩具。尤其多的是魔方——當然是經典的三階魔方，還有四階、五階、六階甚至七階魔方。一個八歲的孩子會高興壞了。
玩數學謎題或多或少是艾森伯格（52歲）消磨時光的方式。但沒有人會質疑她的嚴肅性。艾森伯格出生在烏克蘭西南部邊境附近的一個城市，在莫斯科州立大學獲得了化學學位，然後在1991年，為了逃離俄羅斯學院公開的性別歧視和反猶太主義，她前往西方，在生物工程領域取得了輝煌的職業生涯，揭示了大自然的秘密設計，並將它們運用到她的工作中。她在哈佛大學工程與應用科學學院、拉德克利夫高階研究院和懷斯研究所（哈佛大學一個新的耗資1.25億美元的生物啟發工程中心）都有聯合任命。
艾森伯格以一種玩樂的心態對待她的研究，以孩子般無憂無慮的熱情跨越了科學的傳統學科界限。她最出名的事蹟可能是與生物學家合作，在從海洋深淵中撈出的生物身上發現了非凡的工程學原理。但她也與化學家、建築師、物理學家和玩具設計師合作（或者說，玩耍）。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
以下是編輯後的節選。
大眾科學：你為什麼從自然界中尋找靈感？ 艾森伯格：每次我觀察生物系統時，我都會看到令人驚歎的複雜設計新例子。自然界已經進化出如此多有趣的策略。大自然創造了所有這些高質量的材料和裝置，而科學家們根本沒有意識到。
例如，有一種海蛇尾，它是海星和海膽的近親。它有一個堅硬的外殼，人們認為它是瞎的。但我們發現它的部分骨骼覆蓋著晶狀體——它可以透過外殼看東西。白天，它在晶狀體上使用深色色素來限制光線，然後在晚上，它將色素吸回體內。這就像海蛇尾戴著太陽鏡，而且這些晶狀體比我們能製造的還要好。這證明了一個重要的原則：在生物學中，材料通常針對多種功能進行最佳化。外殼具有優異的機械效能，因為它是一個骨骼，但它也被設計用於光學效能。從工程學的角度來看，這些功能幾乎是不相關的，但這種生物能夠將它們組合在一個結構中。
然後，我們所做的就是以物理科學家的眼光研究有趣的生物系統。這種方法將帶來新的材料和新的裝置，這些材料和裝置可以改變世界。
你能告訴我你關於深海海綿的工作嗎？
它的一切都令人驚歎。它生活在海底，併為自己生長出一個由玻璃製成的骨骼。當人們製造玻璃時，他們會在 2,000 攝氏度下進行，但不知何故，這些生物在環境溫度下合成了玻璃纖維。
然後，在海綿的底部，它附著在海底的地方，它有一個由細絲組成的花冠，這些細絲的行為就像近乎完美的光纖，可以將光線從一端引導到另一端。我們認為我們在 60 年前發明了光纖；大自然在 5 億年前就創造了光纖——使用與我們相同的材料。
但是海綿生活在黑暗中。它為什麼要創造如此複雜的光纖系統？事實證明，它是共生的。發光細菌生活在海綿上，它們的光透過纖維發光。發光的纖維花冠就像一個燈塔，在黑暗中吸引其他生命。然後一對蝦生活在海綿內部——受到這個發光的玻璃房子的保護，以所有被光吸引的東西為食。蝦的排洩物然後幫助餵養海綿。這是一個完整的系統。
你是如何找到海綿的？
我在舊金山參加一個科學會議，然後去了一家寶石店。我完全迷戀那些商店。他們有這種海綿，躺在一個非常黑暗的角落裡，它的纖維花冠都亮著。整個東西太漂亮了。我把它撿起來，然後做了我真正喜歡做的事情，那就是與海洋生物學家合作。
你認為我們可以從這種生物身上學到什麼？
深海海綿為我們提供了改進本質上較差和脆弱材料強度的經驗教訓。玻璃很脆弱，但這種海綿一點也不脆弱；你可以踩在它上面，什麼都不會發生。
大自然實現這一目標的方式是將不同的結構策略一層一層地結合起來。它結合纖維來製造層壓材料。這些材料被構建成支柱，支柱組合形成正方形，然後這些正方形被玻璃纖維水泥包圍。它是玻璃裡面的玻璃裡面的玻璃，但海綿將它們結合起來，創造出一種非常堅固的材料，克服了玻璃的天然脆性。
你也可以將海綿視為綠色建築，其表面具有開放式窗戶的圖案。例如，這讓我想到，你是否可以建造一座摩天大樓，每 10 層樓都敞開，以便可以從風中收集能量。
對於工程師來說，向自然界學習有什麼優勢，又有什麼潛在的陷阱？
大自然可以向工程師展示解決複雜技術問題的各種解決方案。並非所有解決方案都是實用的。受自然界啟發的一種策略可能在材料或所需能量方面成本太高，以至於我們無法使用它。另一方面，一些自然解決方案可能與工程師現在的做法一樣好，或者稍差一些，但便宜得多。因此，大自然提供了一系列有趣的解決方案供探索。
但我們必須小心。大自然對材料的選擇非常有限。生物學沒有鋼鐵。我們有。所以我不喜歡稱我的領域為“仿生學”，因為我不想模仿生物結構。我更願意稱之為“生物啟發工程”，因為我所做的是從生物設計中提取一個概念，而不是具體的解決方案。我不想真正創造一個海蛇尾；我想創造一個屋頂構件，它具有收集光線的晶狀體，並且在機械上是穩定的。我沒有使用與海蛇尾相同的材料，但我竊取了它的策略。
為什麼大自然作為一名工程師如此有成就？
生命是關於功能的：它必須為它面臨的挑戰創造穩健的解決方案，無論是如何分裂、如何自我修復還是如何生產可以持久的東西。大自然也有一個巨大的優勢：數百萬年的進化。我們沒有那麼多時間。另一件事是，在自然界中，沒有其他選擇。這是適者生存。如果你是一個糟糕的工程師，你將被從世界中移除。如果你犯了一個錯誤，你就會死。
你的父母是否影響了你成為科學家的決定？
我的父親是一名建築工程師，他設計和建造橋樑和道路。我的母親是一名醫生，專注於傳染病。他們在很多方面都啟發了我。我的母親在 20 世紀 50 年代（在蘇聯）讀醫學院，當時斯大林禁止任何關於遺傳學的工作，她領導了一群學生秘密聚會研究 DNA。她無所畏懼，是我認識的最堅強的人。
當我還是個孩子的時候，我患了小兒麻痺症，我的腿癱瘓了很長時間。我的母親花了很多時間和我說話，向我展示我可以從窗外看到的世界。“看看樹木是如何生長的，它們形成的形狀，”她會說。“看看水流過時形成的圖案。”這真的很棒。
你是如何對化學產生興趣的？
我知道這聽起來很可笑，但我小時候最喜歡做的事情之一就是解決數學問題。當我在中學時，我從一家期刊上賺了一些錢，為其他學生設計數學問題。當我來到莫斯科州立大學時，我與數學、物理和化學系的人員會面。從這些討論中，我得出結論，數學只是數學。物理學只是數學加上物理學。但化學領域提供瞭如此廣闊的範圍。而且我研究化學的時間越長，我就越覺得化學是關鍵科學。它的分支遍佈各處。這是一個令人驚歎的地方。
你的工作總是從你感興趣的某種植物或動物開始，還是你曾經設定過特定的應用目標？
我的團隊對“潤溼性”產生了興趣，它指的是材料吸引或排斥液體的程度。我們想做的是設計具有可控潤溼性的表面。15 年來，每個人都在從荷葉中尋找靈感，因為水自然會從荷葉上流下來。但社群已經意識到，在實用材料中使用荷葉的秘密將極具挑戰性。事實證明，這些材料太昂貴且太容易損壞。
因此，我們轉向了另一種自然模型：豬籠草。豬籠草是食肉植物。它有一個非常光滑的表面。如果螞蟻爬上去，它就會滑進花朵中，在那裡它會被困住並消化掉。以這為靈感，我們構建了一個類似光滑的表面。它可以用來塗覆輸油管道的內部，使石油更容易泵送。對於生物醫學應用，這意味著血液會流動良好，並且任何地方都不會積聚細菌。另一種潛在用途是作為牆壁的處理方法以抵抗塗鴉。油漆會直接滑落。這會嚴重激怒那些藝術家。
你認為在未來幾十年裡，材料科學會給我們帶來什麼？
我們知道如何製造堅固的材料。我們知道如何製造光學材料。我們不知道如何做得好的事情是製造對環境做出反應的材料，這些材料可以自動改變其特性，可以自我修復，可以在必要時改變外觀。我們需要具有可逆自適應行為的材料。
例如，我們有一種材料可能可以用於“智慧”服裝。它會隨著溼度的變化而自然變化，在外面非常乾燥時會吸收水分，但在下雨時會排斥水分。你可以想象自適應材料的許多應用。如果天氣寒冷，那麼你希望窗戶將任何可用的熱量匯入房間。但在炎熱的夏天，你希望相同的材料變得具有反射性，保持房間舒適。
創造這些型別的材料是 21 世紀的巨大挑戰。
在如此深入地研究自然之後，你對自然的看法是否有所不同？
我會說是的。我真的對圖案是如何形成的感興趣。所以如果我在海灘上散步，我會一直觀察海浪是如何湧入的。或者我可以花所有時間觀察退去的浪潮留下的線條。它們形成了美麗的形狀。我可能會思考這些形狀與其他海灘或沙粒大小有何關係。
我真的很喜歡海洋。那裡的生命如此多樣化，令人歎為觀止。我確信每種生物都能教會我們一些東西。