仿人体的微型虚拟化工厂

罗正鸿

上海交通大学化学与化工学院

教授

1　概要描述

1.1　人体中的化学工程现象（见图1）

人体甚至个体中的每一个组成单元都蕴藏着普适的化学工程规律。化学工程中的“三传一反”规律不仅造就了生命体的延续，而且导致了生命体中机能的高效与健康运行。例如，人体中密布的血管单元不仅能高效输送血液到指定的部位，而且具有抵抗周围环境及一定的自我修复功能。前者的实现依赖于血管单元所具有的高效质量、能量与动量传递特性，后者则依赖于精确的反应动力学性能。此外，密布的血管单元与生命体内的其他单元之间通过物质流、能量流以及动量流实现了有机的联系并共同保障生命体健康。相比化学工程所直接服务的对象化学工业而言，生命体的 “三传一反”是在微型空间中高效绿色完成。仿生数字微型化工厂（见图2），就是从研究生命体各单元的“三传一反”规律出发，研究生命体的单元结构（内因）与生命体中周围环境（外因）对“三传一反”的共同影响，并建立一套数学模型定量描述生命体中的化学工程规律。通过从生命体获得的数学模型指导仿生微型化工单元设备的开发以及整套化工厂的设计，实现对传统化工厂的升级，从而达到化工厂的微型化及数字化改造并实现化工厂的绿色化以及高效化（消除环境污染及解决能源危机）。

图1　人体中化学工程现象

1.2　仿人体微型虚拟化工厂的挑战——难数字化建模、难设计与集成

人体中单元组成太过丰富且各单元结构复杂（内因）以及生命体中环境条件难以测量（外因），而生命体的完整性需要所有单元依据“三传一反”原则有机联系。以目前的技术现状，要实现仿人体微型虚拟化工厂升级还有很长的路要走。存在的主要问题是：

（1）化学工程的主要任务是装置放大与流程设计，通过数学模拟放大方法完成上述任务具有环保与经济性等优点。因此，要建立仿人体微型虚拟化工厂就必须对人体以及其组成单元中的化学工程规律进行数字建模。正如上述分析，内因与外因的复杂与难以测量使得现阶段的化工仿人体模型化有一定困难；

（2）通常情况下，结构越复杂、越微型化的单元设备的设计制造越难，把这些不同的复杂化与微型化的单元设备按“三传一反”原理再集成起来就更难。但是要实现仿人体微型虚拟化工厂代替现有的化工厂就必须跨过这一步。因此，仿人体微型单元设备的设计制造与集成也是一个巨大的困难。

由于人体（含组成单元）中蕴藏的化学工程规律尚未掌握，对应的数学模型还未建立，仿人体微型化单元设备的设计与制造仍未模块化及集成化，巨大的研究空间亟待探索和研究。仿人体微型虚拟化工厂，不仅将为化学工程研究提供坚实基础和重大机遇，而且将对探索生命起源与保障生命健康提供帮助。此外，仿人体微型虚拟化工厂提供有望解决人类目前所面临的环境污染与能量危机领域中存在的关键科学和技术问题。

图2　仿生微型虚拟化工厂

2　应用意义与前景

未来化工厂将在人体中化学工程规律的启发下，催生仿人体微型虚拟化工厂的发展，建立人体（含各组成单元）内部“三传一反”数学模型。在模型指导下，开发仿各单元的微型化单元设备以及仿人体的化工集成技术，以高污染与高能耗的化工厂为先期替代对象，将上述仿人体的微型单元设备集成起来，像堆积木一样拼接出新型绿色高效微型化工厂，实现高污染与高能耗化工厂升级。在此基础上，再附上所开发的面向对象的计算机软件，便可让所有大型化工厂在非化学工程专业人士的电脑控制下实现自动升级。该项超前技术的研发将颠覆人们对化学工业的认识，将为解决人类所面临的环境污染与能源危机提供重要的可能性。此外，将对探索生命起源与保障生命健康提供扎实指导与帮助。