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蜘蛛絲輕且結實,還富有伸縮性,有著「最強材料」之稱。日本一家風險企業正在挑戰用人工方法製造蛛絲。這種人造蛛絲一旦實現,到目前為止依賴石油的工業製品的開發有可能大為改觀。

正義的英雄「蜘蛛人」從手腕吐出蜘蛛絲,在大廈間閃轉騰挪,追擊敵人。蜘蛛絲不僅伸縮自如,而且蜘蛛人掛在上面也不會發生斷裂——這種過去只存在於電影和動畫片中,如今距離現實世界已經僅一步之遙了。

著手研發「人造蛛絲」的公司,是畢業於慶應義塾大學的兩位年輕人在2007年成立的風險企業——Spiber(總部:山形縣鶴岡市)。公司名稱也取自“Spider(蜘蛛)”和“Fiber(纖維)”組成。

該公司開發的人造蛛絲,現在成為了日本國內外關注的焦點。如果成功產品化,將會對提高產品性能產生巨大影響。根據該公司的估算,人造蛛絲在未來有可能創造出規模達到1兆日元以上的市場。

人造蛛絲的特點是同時具備「鋼鐵4倍的強度」和「高於尼龍的伸縮性」。一般提到蜘蛛絲,因為用手可以簡單扯斷,所以很難想像其強度會有鋼鐵的4倍。不過,考慮到直徑幾微米的蛛絲支撐著蜘蛛的身體,蛛絲所具有高強度特性也就令人信服了。據稱,只要能夠人工製造出這樣的絲線,現行材料中的「最強新材料」也就將隨之誕生。

發揮人造蛛絲的特長,可以廣泛提高產品的性能。比如說在人車相撞時,能將傷情控制在最低限度的汽車車身,材料的伸縮性將吸收走衝撞時產生的衝擊;借助高強度,還可以開發出表面不易磨損的輪胎;用人造蛛絲取代著名的汽車輕量化材料——碳纖維,在理論上還可以製造出比以往輕得多的汽車。

順便一提,該公司開發的不只是絲線,還包括與蜘蛛絲具備相同性質的塑膠。用途很可能擴大到汽車領域之外。例如兒童和老年人也能輕鬆移動的書桌、衣櫥等家具,在地震中不易破損的建築資材,還有不易勾絲的長筒絲襪等。

人造蛛絲將拯救資源匱乏的日本?

人造蛛絲之所以受到關注,並不只是因為對產品的影響。作為拯救資源匱乏的日本的技術,以日本為中心,人造蛛絲被寄予了厚望。

前面例舉的汽車、書桌、長筒絲襪等,現在都是使用樹脂、尼龍等來源於石油的材料製造。其實,人造蛛絲的原料不是石油,而是與真正的蜘蛛絲一樣的蛋白質。如果人造蛛絲可以取代來源於石油的材料,日本的眾多製造商將會大大受益。一是可以減少石油使用量。另一個益處,則是可以降低工業產品的製造成本、運輸成本受石油價格擺布的風險。

「不僅能彌補化石燃料資源匱乏的日本的弱勢,還能發揮出擅長功能性樹脂等材料技術的日本的優勢」(Spiber的創始人、董事兼代表執行董事關山和秀)。新材料的開發有可能從根本上扭轉日本在世界的地位。

這裡有一個簡單的問題:蛛絲既然如此受到關注,其他研究機構和風險企業是不是也在開發?是的,世界各地的研究機構和企業其實都在積極開發人造蛛絲。但是在Spiber成功之前,還沒有誰生產出來蛛絲過。

原因有幾個。一個是蜘蛛不像家蠶,很難馴化家養。如果無需在工廠人工生產,能利用蜘蛛產絲的話,那是再好不過的事情。但蜘蛛的領地意識強,不能養在一起。雖然可以逐一分開飼養,但生產效率太低。就算實現了馴化家養,生物生產的絲線也存在品質參差不齊,無法使用的問題。

其次,世界各地研究的方法,都是人工製作生產蜘蛛絲的基因。將該基因嵌入微生物體內,在微生物每次繁殖的時候,作為蜘蛛絲原料的蛋白質隨之增加。這種方法雖然利用了微生物「繁殖快」的特長,但也存在難點——生產蛛絲材料的基因在微生物的繁殖階段容易被破壞。

世界各地的科學家反覆嘗試,始終未能開發出人造蛛絲。以至於在相關人員之中,「蛛絲不能人工生產」的觀點逐漸成了定論。

在這種情況下,只有Spiber的創始人與眾不同。「管他什麼常識。一定有路可走」。當時還在慶應義塾大學上學的關山,通過在酒桌上與朋友討論「最強的生物是什麼」,想到了開發人造蛛絲。雖然周圍人強烈反對,認為「不可能成功」,但關山並不在乎。

創業者關山和秀使人造蛛絲量產化,力爭創造不依賴石油的社會

可蛋白質畢竟不是自己所學專業。開發完全依靠摸索試錯。考慮到生產效率,使用微生物的做法比較穩妥。按照這個想法,關山反覆進行了實驗,但都以失敗告終。在實驗過程中,「雖然不能詳談,但發現了基因排列、蛋白質分子排列、適合製造蛛絲材料的特殊微生物的組合等方法(關山)」。這一發現,為培養作為蛛絲原料的蛋白質打開了突破口。

不過,不建立起使用原料製造絲線的量產工藝,人造蛛絲就不能作為產品的材料。在這個階段,關山也遇到了障礙。

自由掌控強度和伸縮性

作為蛛絲原料的蛋白質稱為「絲心蛋白」。培養微生物單獨提取絲心蛋白,製成粉末後溶解在溶劑中,就製成了絲線的原料。然後只需像化學纖維一樣紡絲即可。

其中最大的難題,是沒有適合溶解絲心蛋白的溶劑。通過反覆嘗試,關山雖然發現了能用的溶劑,但缺點是對人體的毒性強。這會令工廠的工人置身於危險環境之中。

在這裡,關山「不畏常識的力量」也得到了發揮。在嘗試使用一般不用來溶解蛋白質,而主要用於其他用途的溶劑時,關山成功地發現,絲心蛋白充分溶解了。發現該溶劑後,開發一舉步入正軌。

這樣製成的人造蛛絲被稱為“QMONOS”。現在,研究工作在確立生產工藝的基礎上更進一步,「發現了通過調整基因排列,可以自由調節強度和伸縮性的材料性質(關山)」。也就是說,按照汽車部件和家具廠商的要求調整強度和伸縮性能成為了可能。

大量生產體制也在逐步完善。與汽車零件廠商小島沖壓工業合作建設的試產線將於2015年5月底投產。產能按照5月份的情況換算成年度產量,約為1噸。今後將增加到年產20噸。產能增加,就可以更多地為有意採用人造蛛絲的廠商提供樣品的種類和數量。有望加快開發速度,距離在產品中實際使用更進了一步。

關山表示,之所以選擇人造蛛絲作為研發主題,源自高中一年級時的想法「希望解決世界性重大課題」。當時雖然還沒有人造蛛絲的設想,但關山認為,「只要能解決能源問題、環境問題、糧食問題中的任何一個,世界就會變得更美好」。

今後,倘若QMONOS能大量生產,日本依賴石油的現狀將大為改觀。關山認真地說道:「如果由此能減少世界上因爭奪能源而爆發的戰爭,那就太令人高興了」。(記者:松浦龍夫,《日經商務週刊》