天津大学“未来30年”颠覆性创新创想大赛方案申报表(3)(1)

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1、天津大学“未来30年”颠覆性创新创想大赛方案申报表方案名称：负责人： 天津大学2016年10月基本信息方案基本信息方案名称项目分类6+X领域内选择最主要的一个作为方案评审类别组队形式个人项目团队项目团队人数：人（其中：指导老师：人，学生：人）涉及领域（可多选）海洋生物信息能源动力材料空天其他领域：方案简介（200字以内）第一负责人基本信息姓名性别出生年月学院/单位专业身份信息教职工职称职务工号学生学历年级学号校外人员职务身份证号联系电话邮箱通讯地址所在单位 意见申报人是否是本单位员工/学生并同意参加比赛。是 否负责人签章：年 月 日团队成员基本信息指导教师基本信息姓名性别所在单位职称联系方式研

2、究领域学生基本信息姓名性别专业学号联系电话微信号/QQ分工校外人员基本信息姓名性别身份证号单位职务联系方式分工项目构想（参考框架）一、必要性与颠覆性简述项目的定义或科学与技术含义，潜在的军民用价值，可能带来的颠覆性意义，不立项的后果, 国内可用基础，国外相关方面最新情况等。叶绿体仿生生物机器，是人工合成可以利用太阳能，自我生产新个体并将太阳能转化为电能的微 米级仿生机器。该种微型机器可以自我扩散成宏观的膜状结构，吸收太阳能，并将其转化为电能。该 设想的实现将会彻底解决能源危机，源源不断的将太阳能转化为人类已经熟练使用的电能。社会有序性的发展越高级，则人均需求的能量越多。地球的一切能量直接或者间

3、接的来自于太阳 能。太阳能的一次转化可以是内能，电能和化学能。绿色植物依靠光合作用实现了地球上最成功的光 转化机制一一原初光能转换过程的量子效率几乎是100%。但植物转化本身存在转化速率不高的问题， 成为了利用该能源的瓶颈。仿生机器是无机催化剂和有机转化原理相结合的方式，既具有有机生物转 化能源效率高的优势，又具有机器转化能源快的优势。将彻底颠覆人类依赖地球上现有储备能源的现 状。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿2200亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗 总量的1020倍，但目前的利用率不到3%。人工叶计划适合在日照充分并且无人居住的沙漠地区大 规模地推广，再通过电缆等设备输送到

4、其他地方，这样就完全避免了占据耕地或与人抢地的矛盾，更 具有实际的意义。人工模拟光合作用是当前面对世界资源消耗、环境污染等难题所提出的一个极具吸引力的解决方 案。放眼全球，还有很多国家都投入大量的人力、财力准备积极攻克这一难题，如美国正准备批准一 项研究，经费约为3500万美元；荷兰方面的此类研究也高达4000万荷兰盾。我国有相当大面积的国 土处于荒漠和植物难以生存的地区具备使用该种微型机器的要求，再加上我国的生命科学和纳米材料 的突破有能力在将来实现这一设想。并且瑞典斯德哥尔摩当地时间2016年10月5日11时45分，让 -彼埃尔索瓦与詹姆斯弗雷泽司徒塔特、伯纳德费灵格因“在分子机器的设计和

5、合成”方面 的贡献获2016年诺贝尔化学奖，证明了分子机器的可行性。二、研究目标及阶段划分包括项目研究总目标、分阶段目标。由于项目存在不确定性，在阶段划分上应实事求是，允许中 间进行调整和变化，但必须明确给出需做重大调整或决策的关键节点和决策依据。最终目标是该种仿生机器能利用太阳能自我生产并且将太阳能源源不断转化为人类可用的电能。 第一阶段研究清楚植物光合作用催化的机理。并分析出有机催化剂的分子空间结构。研制纳米 级的无机分解催化剂。第二阶段优化微型燃料电池整体结构。将第一阶段分解产生的氢气甲醇的化学能转化为电能第三阶段计算机编码仿生机器的程序，纳米级别进行硬件制造。第四阶段 对仿生机器进行优

6、化，培育。第五阶段 对培育好的机器做成种子置于室外，任其自我生产和发电。三、挑战性与不确定性简要陈述项目的创新性要点，重点论述为实现研究目标所面临的挑战，包括科学、技术、集成、 试验、应用等不同层面以及降低成本等方面的主要挑战，并进行不确定性分析。本设计集合生物学，材料科学，计算机科学和纳米技术同时解决能源不足和CO2排放问题。在能 源和环境保护方面均具有战略性的价值。目前的技术难点集中在生物分子的微观探测，纳米机器人的 微观制造和纳米材料的性质研究等方面。同时在能量转化方面，能源的实际转化效率和纳米催化剂材 料的选择均不可预测。同时，因为研究设计各个领域，研究所用的成本也难以估量。但是一旦成

7、功解 决，所产生的结果将是永久性的。四、主要研究内容及初步研究方案简要介绍项目技术方案构想，总体研究内容框架，需分解的研究课题及研究内容，主要科学问题 或关键技术研发路线初步考虑，针对项目挑战性的具体对策等。1.英国的科学家已经采用一种被称为X光结晶工艺的光分散技术来分析光合系统II在1/1010米 层次上的组织结构，并最终观察到了微观清晰的结构，这一发现对掌握水的分解原理有非常大的帮助。 如果催化光合作用的分子结构能被探测则可以尝试通过基因工程的手段来合成类似的自组装蛋白。现 在这项研究遭遇的更大挑战是设计出一个完善的人工系统。美国麻省理工学院化学系的科学家诺塞拉 和卡南成功完成了人工模拟光

8、合作用研究，他们的突破之处在于将铟、锡氧化物做成电极，放置于钻 离子和磷酸钾的水溶液中。通俗地说，就是以钻和磷为原料制造出了可在室温下促成水分解的催化剂。 依靠外来能源（比如太阳光能、风能等）产生的电流，流经电极以及钻和磷酸构成的催化剂，利用钻 和磷的催化作用，使水生产出氢气和氧气，并在两极收集。2微型燃料电池概念的提出将会解决一些大型燃料电池所具有的问题。燃料电池的水热管理，氢 气来源，储存氢气的方法，催化剂和质子交换膜功能衰退问题，在微观尺度燃料电池的水淹和温度分 布不均匀问题将会消失。由于仿生机器本身产氢和甲醇等能源，氢气和甲醇会被不断的消耗，该问题 也会解决。至于催化剂和质子交换膜的效

9、率下降问题，仿生机器本身具有“活性”，会不断修复内部 损失。3计算机编码分子结构。计算机可以采用拓扑学结构来表示分子结构。纳米技术的分支分子电 子研究出一种由分子自行组装的所谓的“逻辑”门一一使分子的开合在逻辑上与实际中都等同于电路 的开关。如果机器人内置比那些分子簇还要小，就可以重排磁盘上的分子来制造芯片。这些构成纳米 机器人的部件，要比我们现在所制造的、用于在磁盘驱动器中保存信息的物质结构小得多。O 4II表I化合物匚比YH Y-NH：的兀余连接表I 235原子编号原子符号连健性质相连原子号连擺性质相连原子号连锻性质相连原子号1C12C133C1214154O235N134分子机器的动力来

10、源主要有化学驱动、电驱动和光驱动，比如ATP合成酶转子是由于质子的流 动而旋转，这属于化学驱动；索烃是由于铜离子电子的得失而行使其功能，属于电驱动；而分子蠕虫 的“前进”是光照引起了偶氮分子构象的改变引起的，这属于光驱动。利用仿生机器自我产生的能量 驱动内置的纳米机器人“建设”仿生机器，并模仿植物分裂的方式进行自我生产。五、预期成果及转移转化设想预期目标成果，期望实现的主要技术指标；成果应用的经济可承受性分析；成果转移转化应用方 向、实施方式设想。该仿生机器能够稳定的自我生产和转化能源，能够实现自我修复。这项技术成果的实现可以极大 程度上解决人类能源危机和CO2排放过多的问题。能源解决可以削弱

11、人类对其他自然资源的索取，继 而间接保护了生态环境。能源问题的解决，是人类社会朝向更高端方向发展的保证。因能源而起的国 际纷争将会基本上销声匿迹。为了完成这项大的规划，需对纳米材料研究取得突破性进展，能够熟练使用合成纳米材料。而且 生命科学中，光合作用的催化剂微观结构也需要得以破译。计算机硬件技术，需要解决编码信息的转 译排列分子结构。该设想涉及到各个学科分支的尖端领域。如要得以实现需要各个领域的通力合作和发展，前期的 研究和生产的投资比较大。当该设想慢慢投入使用后，所投入的成本将会大大下降。该项技术所需要的破译生物体分子结构技术可以应用于濒危物种的遗传信息记录和制造。并且颠 覆传统意义上燃料电池理念。可以通过工业合成有机食物，解决粮食危机。微型机器并且可以应用于 军事，国防等相关领域。备注：1本申报表须由申报者或团队负责人本人填写；2. 团队参赛的须确定负责人；3. 正文内容表述要求：宋体小四，1.5倍行距，英文Times New Roman；4. 本表由大赛组委会负责最终解释。