人类创造更大、更令人印象深刻的建筑的欲望是无止境的。古埃及的金字塔、中国的长城和迪拜的哈利法塔(Burj Khalifa)——现在是世界上最高的建筑，超过828米(2722英尺)——都是将工程推向极限的结果。但是巨大的建筑不仅仅是人类雄心壮志的纪念碑，它们也可能是人类在太空时代进步的关键。
目前，人们正在提议建造一座不需要支撑的塔或“太空升降机”，这个建筑可以进入地球外的同步轨道。这样的高塔将取代火箭式的交通工具，大大减少了进入太空所需的能量，除此之外，我们还可以想象驻扎在太空的巨型结构，其大小可达数公里，由太阳能提供动力，可能环绕整个行星甚至恒星。
近年来，由于新型钢合金等材料的强度和可靠性，工程师们得以在更大的规模上进行建造。但是，当我们进入巨型建筑的领域——1000公里或更高的尺寸——保持安全和结构的完整性已经成为一个恶魔般的挑战。因为物体越大，由于它的重量和大小，它承受的压力就越大。(“压力”是机械张力的一种程度，就像你把东西从两端拉开或挤在一起一样。“强度”是指结构在断裂之前所能承受的最大拉力。)
事实证明，拥有38亿年经验的生物设计可能有助于解决这个难题。在材料科学时代之前，工程师们不得不依靠自然来寻找创造性的技巧来帮助他们克服材料的限制。例如，古典文明用兽皮制成的扭曲肌腱为战争机器提供了能量，这种肌腱可以伸展并弹回来以向敌人发射炮弹。但后来钢和混凝土等物质出现了，并且逐渐变得更硬更轻。
这导致了一个被称为“可靠性工程”的分支学科。设计师们开始制造比他们所需要承受的最大可能载荷更强的结构，这意味着材料承受的压力保持在一个断裂可能性非常低的范围内。然而，一旦结构转变为巨型结构，计算表明这种规避风险的方法限制了其规模。巨型结构必然会将材料推向极限，并消除耐候性的舒适压力水平。
然而，我们身体里的骨骼和肌腱都没有这种奢侈的享受，它们经常被压缩和拉伸，远远超出了它们可能会被破坏的程度。然而，人体的这些组成部分仍然比其纯粹的物质强度所显示的要“可靠”得多。例如，仅仅跑步就能将跟腱推到其极限抗拉强度的75%以上，而举重运动员在负重数百公斤时，承受的压力可能超过腰椎力量的90%。
生物学如何处理这些负载?答案是我们的身体不断地修复和循环利用他们的物质。在肌腱中，胶原纤维以这样一种方式被替换，虽然有些受损，但整个肌腱仍然是安全的。这种持续的自我修复是高效和廉价的，并且可以根据负载变化。我们身体的所有结构和细胞都在不断地更新;据估计，人体每年大约有98%的原子被替换。
我们最近应用了这种自我修复的范例来看看是否有可能用现有的材料来建造一个可靠的太空电梯。一种常见的设计方案是一条91000公里长的电缆(称为缆绳)，从赤道向外延伸，并在太空中通过平衡重量来平衡。绳子由平行的纤维束组成，类似于肌腱中的胶原纤维或骨骼中的骨质，只不过是由凯夫拉尔纤维制成的而已(凯夫拉尔纤维是一种被用于作为防弹衣和防刀背心的材料。)利用传感器和人工智能软件，就有可能用数学方法对整个绳索进行建模，从而预测纤维何时、何地以及如何断裂，而当这些纤维断裂的时候，机器人攀岩者会很快地在绳索上来回巡逻，换上新的纤维，并且可以根据需要来调整维护和修理的速度，以此来模拟生物过程的敏感性。尽管与材料所能承受的压力相比，这种结构的工作压力非常高，但我们证明这种结构是可靠的，并且不会要求过高的替代率。此外，材料达到可靠结构所需的最大强度削减了令人印象深刻的44%。
这种生物启发的工程方法也可以帮助地球上的建筑，比如桥梁和摩天大楼。通过“挑战”我们的材料，并为系统配备自动修复和更换机制，我们可以在提高可靠性的同时超越现有的限制。想要了解接近抗拉强度极限操作的好处，可以看看一座吊桥，它的中间有一段钢丝绳。目前增加桥梁跨度的主要障碍是：随着我们使用更长的绳索，它们就会变得更重，更容易在自身重量下断裂。如果绳子拉伸不超过总强度的50%，最大跨度约为4公里;但当伸展到其强度的90%时，跨度将显著增加到7.5公里以上。然而，确保电缆是安全的将需要钢纤维在一个微调的过程中被替换，就像在生物系统中一样。
巨型建筑不再是科幻小说。正如《旧约》所述，人类从未因巴别塔的倒塌而气馁，而是在科学技术的巨大进步推动下，继续建造更大、更高、更快的东西。然而，按照经典可靠性工程的标准，我们未来的路还很遥远。相反，我们需要一个新的范式，一个不仅关注物质力量，同时也关注系统内在重构能力的范式。我们只需要观察看我们周围丰富的生物生命，相信从进化史的发展中我们可以学到很多东西。
