当你走进哈佛大学教授乔安娜·艾森伯格的角落办公室时，你首先注意到的就是那些玩具。她的书桌后面放着一个沙钱，一个装在盒子里的天蓝色蝴蝶，一个塑料支架，上面插着长长的纤维，拉动开关时会迸发出色彩，还有随意摆放的几排玩具。尤其多的是魔方——当然是经典的三阶魔方，还有四阶、五阶、六阶甚至七阶魔方。一个八岁的孩子会高兴坏了。
玩数学谜题或多或少是艾森伯格（52岁）消磨时光的方式。但没有人会质疑她的严肃性。艾森伯格出生在乌克兰西南部边境附近的一个城市，在莫斯科州立大学获得了化学学位，然后在1991年，为了逃离俄罗斯学院公开的性别歧视和反犹太主义，她前往西方，在生物工程领域取得了辉煌的职业生涯，揭示了大自然的秘密设计，并将它们运用到她的工作中。她在哈佛大学工程与应用科学学院、拉德克利夫高级研究院和怀斯研究所（哈佛大学一个新的耗资1.25亿美元的生物启发工程中心）都有联合任命。
艾森伯格以一种玩乐的心态对待她的研究，以孩子般无忧无虑的热情跨越了科学的传统学科界限。她最出名的事迹可能是与生物学家合作，在从海洋深渊中捞出的生物身上发现了非凡的工程学原理。但她也与化学家、建筑师、物理学家和玩具设计师合作（或者说，玩耍）。
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大众科学：你为什么从自然界中寻找灵感？ 艾森伯格：每次我观察生物系统时，我都会看到令人惊叹的复杂设计新例子。自然界已经进化出如此多有趣的策略。大自然创造了所有这些高质量的材料和装置，而科学家们根本没有意识到。
例如，有一种海蛇尾，它是海星和海胆的近亲。它有一个坚硬的外壳，人们认为它是瞎的。但我们发现它的部分骨骼覆盖着晶状体——它可以透过外壳看东西。白天，它在晶状体上使用深色色素来限制光线，然后在晚上，它将色素吸回体内。这就像海蛇尾戴着太阳镜，而且这些晶状体比我们能制造的还要好。这证明了一个重要的原则：在生物学中，材料通常针对多种功能进行优化。外壳具有优异的机械性能，因为它是一个骨骼，但它也被设计用于光学性能。从工程学的角度来看，这些功能几乎是不相关的，但这种生物能够将它们组合在一个结构中。
然后，我们所做的就是以物理科学家的眼光研究有趣的生物系统。这种方法将带来新的材料和新的装置，这些材料和装置可以改变世界。
你能告诉我你关于深海海绵的工作吗？
它的一切都令人惊叹。它生活在海底，并为自己生长出一个由玻璃制成的骨骼。当人们制造玻璃时，他们会在 2,000 摄氏度下进行，但不知何故，这些生物在环境温度下合成了玻璃纤维。
然后，在海绵的底部，它附着在海底的地方，它有一个由细丝组成的花冠，这些细丝的行为就像近乎完美的光纤，可以将光线从一端引导到另一端。我们认为我们在 60 年前发明了光纤；大自然在 5 亿年前就创造了光纤——使用与我们相同的材料。
但是海绵生活在黑暗中。它为什么要创造如此复杂的光纤系统？事实证明，它是共生的。发光细菌生活在海绵上，它们的光通过纤维发光。发光的纤维花冠就像一个灯塔，在黑暗中吸引其他生命。然后一对虾生活在海绵内部——受到这个发光的玻璃房子的保护，以所有被光吸引的东西为食。虾的排泄物然后帮助喂养海绵。这是一个完整的系统。
你是如何找到海绵的？
我在旧金山参加一个科学会议，然后去了一家宝石店。我完全迷恋那些商店。他们有这种海绵，躺在一个非常黑暗的角落里，它的纤维花冠都亮着。整个东西太漂亮了。我把它捡起来，然后做了我真正喜欢做的事情，那就是与海洋生物学家合作。
你认为我们可以从这种生物身上学到什么？
深海海绵为我们提供了改进本质上较差和脆弱材料强度的经验教训。玻璃很脆弱，但这种海绵一点也不脆弱；你可以踩在它上面，什么都不会发生。
大自然实现这一目标的方式是将不同的结构策略一层一层地结合起来。它结合纤维来制造层压材料。这些材料被构建成支柱，支柱组合形成正方形，然后这些正方形被玻璃纤维水泥包围。它是玻璃里面的玻璃里面的玻璃，但海绵将它们结合起来，创造出一种非常坚固的材料，克服了玻璃的天然脆性。
你也可以将海绵视为绿色建筑，其表面具有开放式窗户的图案。例如，这让我想到，你是否可以建造一座摩天大楼，每 10 层楼都敞开，以便可以从风中收集能量。
对于工程师来说，向自然界学习有什么优势，又有什么潜在的陷阱？
大自然可以向工程师展示解决复杂技术问题的各种解决方案。并非所有解决方案都是实用的。受自然界启发的一种策略可能在材料或所需能量方面成本太高，以至于我们无法使用它。另一方面，一些自然解决方案可能与工程师现在的做法一样好，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决方案供探索。
但我们必须小心。大自然对材料的选择非常有限。生物学没有钢铁。我们有。所以我不喜欢称我的领域为“仿生学”，因为我不想模仿生物结构。我更愿意称之为“生物启发工程”，因为我所做的是从生物设计中提取一个概念，而不是具体的解决方案。我不想真正创造一个海蛇尾；我想创造一个屋顶构件，它具有收集光线的晶状体，并且在机械上是稳定的。我没有使用与海蛇尾相同的材料，但我窃取了它的策略。
为什么大自然作为一名工程师如此有成就？
生命是关于功能的：它必须为它面临的挑战创造稳健的解决方案，无论是如何分裂、如何自我修复还是如何生产可以持久的东西。大自然也有一个巨大的优势：数百万年的进化。我们没有那么多时间。另一件事是，在自然界中，没有其他选择。这是适者生存。如果你是一个糟糕的工程师，你将被从世界中移除。如果你犯了一个错误，你就会死。
你的父母是否影响了你成为科学家的决定？
我的父亲是一名建筑工程师，他设计和建造桥梁和道路。我的母亲是一名医生，专注于传染病。他们在很多方面都启发了我。我的母亲在 20 世纪 50 年代（在苏联）读医学院，当时斯大林禁止任何关于遗传学的工作，她领导了一群学生秘密聚会研究 DNA。她无所畏惧，是我认识的最坚强的人。
当我还是个孩子的时候，我患了小儿麻痹症，我的腿瘫痪了很长时间。我的母亲花了很多时间和我说话，向我展示我可以从窗外看到的世界。“看看树木是如何生长的，它们形成的形状，”她会说。“看看水流过时形成的图案。”这真的很棒。
你是如何对化学产生兴趣的？
我知道这听起来很可笑，但我小时候最喜欢做的事情之一就是解决数学问题。当我在中学时，我从一家期刊上赚了一些钱，为其他学生设计数学问题。当我来到莫斯科州立大学时，我与数学、物理和化学系的人员会面。从这些讨论中，我得出结论，数学只是数学。物理学只是数学加上物理学。但化学领域提供了如此广阔的范围。而且我研究化学的时间越长，我就越觉得化学是关键科学。它的分支遍布各处。这是一个令人惊叹的地方。
你的工作总是从你感兴趣的某种植物或动物开始，还是你曾经设定过特定的应用目标？
我的团队对“润湿性”产生了兴趣，它指的是材料吸引或排斥液体的程度。我们想做的是设计具有可控润湿性的表面。15 年来，每个人都在从荷叶中寻找灵感，因为水自然会从荷叶上流下来。但社区已经意识到，在实用材料中使用荷叶的秘密将极具挑战性。事实证明，这些材料太昂贵且太容易损坏。
因此，我们转向了另一种自然模型：猪笼草。猪笼草是食肉植物。它有一个非常光滑的表面。如果蚂蚁爬上去，它就会滑进花朵中，在那里它会被困住并消化掉。以这为灵感，我们构建了一个类似光滑的表面。它可以用来涂覆输油管道的内部，使石油更容易泵送。对于生物医学应用，这意味着血液会流动良好，并且任何地方都不会积聚细菌。另一种潜在用途是作为墙壁的处理方法以抵抗涂鸦。油漆会直接滑落。这会严重激怒那些艺术家。
你认为在未来几十年里，材料科学会给我们带来什么？
我们知道如何制造坚固的材料。我们知道如何制造光学材料。我们不知道如何做得好的事情是制造对环境做出反应的材料，这些材料可以自动改变其特性，可以自我修复，可以在必要时改变外观。我们需要具有可逆自适应行为的材料。
例如，我们有一种材料可能可以用于“智能”服装。它会随着湿度的变化而自然变化，在外面非常干燥时会吸收水分，但在下雨时会排斥水分。你可以想象自适应材料的许多应用。如果天气寒冷，那么你希望窗户将任何可用的热量导入房间。但在炎热的夏天，你希望相同的材料变得具有反射性，保持房间舒适。
创造这些类型的材料是 21 世纪的巨大挑战。
在如此深入地研究自然之后，你对自然的看法是否有所不同？
我会说是的。我真的对图案是如何形成的感兴趣。所以如果我在海滩上散步，我会一直观察海浪是如何涌入的。或者我可以花所有时间观察退去的浪潮留下的线条。它们形成了美丽的形状。我可能会思考这些形状与其他海滩或沙粒大小有何关系。
我真的很喜欢海洋。那里的生命如此多样化，令人叹为观止。我确信每种生物都能教会我们一些东西。