仿生材料是一種新型的功能材料，是建立在自然界原有材料、人工合成材料、有機(jī)高分子材料基礎(chǔ)上的可設(shè)計(jì)智能材料。仿生材料的最大特點(diǎn)是可設(shè)計(jì)性，人們可提取出自然界的生物原型，探究其功能性原理，并通過(guò)該原理設(shè)計(jì)出能夠有效感知到外界環(huán)境刺激并迅速做出反應(yīng)的新型功能材料。作為 21世紀(jì)發(fā)展新材料領(lǐng)域的重大方向之一，仿生材料的研究將融入信息通信、人工智能、創(chuàng)新制造等高新技術(shù)，逐漸使傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)材料與功能材料的分界消失，實(shí)現(xiàn)材料的智能化、信息化、結(jié)構(gòu)功能一體化。

仿生材料的出現(xiàn)將成為材料發(fā)展歷史的又一座里程碑。如何低成本、高效率地制造出新型仿生材料將是其能否繼續(xù)快速發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，目前，制造仿生材料的核心理念為：借鑒自然界生物體與生物材料的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)、界面自清潔、界面自感知、能量自供給與轉(zhuǎn)化的基本原理，發(fā)展仿生新型結(jié)構(gòu)材料、新型智能界面材料、新型物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化材料，為新質(zhì)戰(zhàn)斗力的形成和現(xiàn)役裝備的改進(jìn)改型提供材料的保障與支撐。仿生材料對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展與人類社會(huì)文明的進(jìn)步具有重大的意義。

現(xiàn)如今仿生新材料在建筑行業(yè)、生物醫(yī)療、信息通信、節(jié)能減排等領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。例如：模仿甲蟲(chóng)鞘翅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建筑混凝土夾芯板、模仿蜂巢設(shè)計(jì)的蜂窩泡沫橡膠、模仿變色龍?jiān)O(shè)計(jì)的柔性變色皮膚、模仿鯊魚(yú)盾鱗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的防污減阻材料等。

仿生建筑材料指的是把自然界中一些生物體當(dāng)成研究對(duì)象，對(duì)生物體的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行有關(guān)的探索并應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的材料。隨著對(duì)仿生建筑材料研究的深入，不斷興起了一些相關(guān)的學(xué)科，例如：仿生設(shè)計(jì)學(xué)、結(jié)構(gòu)仿生學(xué)等。其中，結(jié)構(gòu)仿生學(xué)作為仿生建筑材料研究的基礎(chǔ)科學(xué)，對(duì)于未來(lái)仿生材料在建筑結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用十分關(guān)鍵。

中國(guó)作為人口大國(guó)，每年全國(guó)的糧食生產(chǎn)總量達(dá) 5億 t以上，大量的秸稈、稻草等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物被焚燒，不僅造成了資源的浪費(fèi)，還對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。從古至今，秸稈都可以直接與土壤、水等混合用作建筑材料，但是這樣直接制備的建筑材料強(qiáng)度低、無(wú)法承載過(guò)大的重量。事實(shí)上，秸稈、稻草等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物還可以通過(guò)機(jī)械疊加的方式與不同種類的材料結(jié)合，在充分利用各自材料優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，制成強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的夾層結(jié)構(gòu)。尤其是在承重墻中，由鋼板與混凝土組合而成的夾層結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，不僅可用作結(jié)構(gòu)承重材料，還可用作建筑保溫材料，具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

甲蟲(chóng)，作為一種人們熟知的生物，早在幾十億年前就已經(jīng)存在于地球之上。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的生物演變過(guò)程，其前鞘翅結(jié)構(gòu)已進(jìn)化成為一種具有特殊功能的生物結(jié)構(gòu)。例如，甲蟲(chóng)的鞘翅板三維結(jié)構(gòu)便是一個(gè)集偽裝與防護(hù)相結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)高度進(jìn)化、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的生物結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。南京大學(xué) Chen等利用秸稈等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，仿照甲蟲(chóng)的鞘翅結(jié)構(gòu)，研制了一種新型仿生夾層混凝土夾芯板SCBEPs，對(duì)SCBEPs的力學(xué)性能和保溫性能進(jìn)行了有限元分析，據(jù)分析結(jié)果得知：該結(jié)構(gòu)夾芯板具有極高的剛度、更密實(shí)的表面密度和更好的耐久性，相比傳統(tǒng)建筑行業(yè)的普通夾芯板，不僅可以節(jié)省能源，還可做到綠色環(huán)保。

圖1 甲蟲(chóng)鞘翅板的生物原型

人類目前對(duì)于建筑物設(shè)計(jì)的發(fā)展水平已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，不僅能上天入地，還可橫跨江海。人類之所以在建筑領(lǐng)域能夠有如此成熟的設(shè)計(jì)，有一大半的功勞要?dú)w功于自然界的“建筑大師”。著名生物學(xué)家 Charles認(rèn)為：“蜂巢是世界上最宏偉的建筑物。”蜜蜂用蜂蠟建造的蜂巢是一座既牢固又輕巧、既美觀又實(shí)用的杰出建筑。蜂巢輕質(zhì)高強(qiáng)，是建筑材料的發(fā)展方向之一。人類從蜂巢上獲得了巨大的啟示，創(chuàng)造發(fā)明了蜂窩泡沫砼、蜂窩泡沫塑料、蜂窩泡沫橡膠及蜂窩泡沫玻璃等仿生結(jié)構(gòu)材料。實(shí)踐證明，這些仿生蜂窩狀材料，既隔熱又保溫，結(jié)構(gòu)輕巧、造型美觀。目前，仿照蜂巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備的建筑物已遍布世界（圖2）。

圖2  仿蜂巢建筑物設(shè)計(jì)

材料在服役期間不可避免地會(huì)產(chǎn)生微裂紋和壞損，由此引發(fā)的宏觀應(yīng)力裂紋會(huì)嚴(yán)重影響材料的使用以及設(shè)備的運(yùn)行，甚至?xí)斐刹牧系氖Р⒃斐蓳p失慘重的事故。如果能在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋前對(duì)其進(jìn)行預(yù)防，對(duì)于延長(zhǎng)材料的使用壽命、消除工程應(yīng)用的安全隱患、提高材料的利用率具有重要意義。但是材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的時(shí)間點(diǎn)是不易察覺(jué)的，因此如何能夠?qū)崿F(xiàn)材料的自我修復(fù)及愈合是一個(gè)需要迫切解決的問(wèn)題。

自修復(fù)自適應(yīng)界面材料是近幾十年來(lái)興起的一種新型仿生智能材料，其核心源于對(duì)自然界生物體損傷及愈合機(jī)理的研究與模仿，通過(guò)補(bǔ)給所需的物質(zhì)和能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部或者外部損傷的自修復(fù)與自愈合。自修復(fù)自適應(yīng)界面材料是一種功能類集成材料，它不僅囊括了智能材料的基礎(chǔ)性質(zhì)，在接受外界環(huán)境的刺激時(shí)，還能主動(dòng)地調(diào)節(jié)自身的材料屬性，以達(dá)到適應(yīng)外界環(huán)境改變的效果。自適應(yīng)的含義包括了材料各方面的性質(zhì)，如自我回復(fù)能力：指的材料的外形、結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變后可以自動(dòng)還原；自我調(diào)節(jié)能力：材料的物理化學(xué)狀態(tài)隨著外部環(huán)境的變化而發(fā)生調(diào)整。

仿照豬籠草等植物的表皮結(jié)構(gòu)制備的潤(rùn)滑液浸漬涂層，同樣也是一種不錯(cuò)的自修復(fù)界面材料。圖3所示為 Wong等關(guān)于仿豬籠草結(jié)構(gòu)的最新研究成果，與很多動(dòng)植物表層分泌保護(hù)液的過(guò)程類似，當(dāng)表面的潤(rùn)滑浸潤(rùn)層受到機(jī)械外力作用而被破壞時(shí)，在多孔介質(zhì)儲(chǔ)層中的潤(rùn)滑油會(huì)通過(guò)與多孔介質(zhì)的動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制自動(dòng)補(bǔ)充到表面浸潤(rùn)層，使其恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)，從而維持原有的材料性能。

圖 3  仿豬籠草超光滑自修復(fù)多孔表面

“變色龍”當(dāng)屬自然界中的自感知偽裝大師。變色龍的表皮有一種結(jié)構(gòu)——皮膚感受器，在變色龍皮膚感受器的表皮細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)著黑色、紅色、綠色、紫色、藍(lán)色、黃色等各種顏色的色素細(xì)胞。當(dāng)外界的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，皮膚感受器會(huì)接受到光線或溫度變化帶來(lái)的刺激，進(jìn)而調(diào)整內(nèi)部色素細(xì)胞的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)身體的換色。圖 4所示為加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的仿生柔性自感知電子皮膚，通過(guò)光照響應(yīng)等外界條件的改變，該皮膚可實(shí)現(xiàn)變色。

圖4  仿變色龍自感知柔性皮膚

將仿生材料應(yīng)用于能源環(huán)境研究領(lǐng)域始終是熱點(diǎn)前沿問(wèn)題。大自然中具有自清潔界面的生物十分眾多，尤其是棲息在深海中的海洋生物。部分海洋生物隨著氣候的變化要進(jìn)行遷徙，遷徙的距離甚至可達(dá)上萬(wàn)公里，其表皮自清潔界面的微結(jié)構(gòu)自此過(guò)程中發(fā)揮了極其重要的作用。海洋生物的自清潔表面可以有效地減小其遷徙時(shí)所受海水的阻力，確保其能夠完成遷徙。海洋生物的表皮中通常存在著含有大量親水基團(tuán)的蛋白基體，這些基體與海洋生物的表皮層穩(wěn)固的結(jié)合形成一層較厚的疏水層，使得表皮具有自清潔的能力。例如鯊魚(yú)的體表，是一種盾鱗的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)之間的溝槽為開(kāi)發(fā)海洋防污減阻涂層提供了思路，圖 5所示為仿照鯊魚(yú)盾鱗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自清潔減阻材料。

圖5  仿鯊魚(yú)盾鱗自清潔減阻材料

仿鯊魚(yú)盾鱗結(jié)構(gòu)防污減阻材料的研究始于 20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家宇航局將該研究稱為未來(lái)航空產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。仿鯊魚(yú)盾鱗結(jié)構(gòu)防污減阻材料對(duì)于飛行器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)飛行器提速、延長(zhǎng)飛行器續(xù)航時(shí)間、減少飛行器燃料損耗的關(guān)鍵一環(huán)。

另一種生物，樹(shù)蛙的趾、指末端吸盤(pán)及邊緣溝壑明顯，吸盤(pán)背面呈現(xiàn)出“Y”的形狀。正是由于樹(shù)蛙指、趾末端吸盤(pán)的存在，使得樹(shù)蛙可在植物上敏捷自由的移動(dòng)。樹(shù)蛙腳趾表皮的結(jié)構(gòu)為納米尺度柱體密集排布組成六邊形表皮結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元間的空隙充滿流體分泌物，寬約 1 μm。樹(shù)蛙腳趾表皮納米級(jí)別的柱體及其間的狹縫可以通過(guò)在界面處保持液體薄膜來(lái)提高其與基體的黏性。該表皮結(jié)構(gòu)通過(guò)黏性液體的充滿界面和脫離界面實(shí)現(xiàn)界面的黏結(jié)和脫黏，有機(jī)黏劑不會(huì)硬化。狹縫的結(jié)構(gòu)和生理系統(tǒng)可以儲(chǔ)存和再生有機(jī)黏劑，便于其快速黏附于粗糙表面。

受樹(shù)蛙趾結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，武漢大學(xué)薛龍建課題組制備了一種微納復(fù)合六邊形柱狀陣列，如圖 6所示。該結(jié)構(gòu)由聚二甲基硅氧烷（PDMS）與聚苯乙烯（PS）混合制成，其中 PS在 PDMS正六邊形陣列中呈垂直分布，該結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力可以在PS與PDMS間進(jìn)行有效的傳遞。

圖6  仿樹(shù)蛙趾結(jié)構(gòu)六邊形微納結(jié)構(gòu)

隨著壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦電納米發(fā)電機(jī)的相繼問(wèn)世，自供電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境機(jī)械能的獲取變得更加高效、低損耗和簡(jiǎn)單。將輕型可變電源引入仿生微型飛行器（BMAV）中，廣泛應(yīng)用于軍事偵察或大氣污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，是當(dāng)前將仿生材料應(yīng)用于能源環(huán)境研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。北京交通大學(xué)魏國(guó)武等使用仿生技術(shù)研發(fā)了一種基于摩擦電機(jī)和壓電器件相結(jié)合的混合柔性納米發(fā)電機(jī)（圖7），該納米發(fā)電機(jī)不僅可以解決供電問(wèn)題，還可智能監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境的變化。

圖7  仿生微型飛行器納米發(fā)電機(jī)

生物醫(yī)學(xué)材料是將工程材料的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的綜合體現(xiàn)。目的是為了縮小工程材料和醫(yī)學(xué)材料之間的實(shí)際應(yīng)用差距。生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計(jì)結(jié)合了工程材料設(shè)計(jì)和醫(yī)用材料設(shè)計(jì)的技巧，以改善醫(yī)療診斷、醫(yī)療監(jiān)測(cè)的水平。生物醫(yī)學(xué)中仿生材料的概念目前處于醫(yī)學(xué)材料研究的最前沿。

生物的微觀世界由一群隱秘的微生物組成，這些微生物擁有令人震驚但尚未開(kāi)發(fā)的功能，提供了巨大的探索機(jī)會(huì)。這些微生物物種形成微生物群，相互之間有效地協(xié)同作用，并執(zhí)行難以置信的任務(wù)。目前人們正在有選擇地、可控地將來(lái)自生物微觀世界的不同物種組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)面向創(chuàng)新應(yīng)用的功能仿生體系結(jié)構(gòu)，以便更好地認(rèn)識(shí)生物微觀世界，從而帶來(lái)新的機(jī)遇。美國(guó)新澤西州史蒂文斯理工學(xué)院機(jī)械工程系神經(jīng)仿生學(xué)與神經(jīng)電醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室 Mannoor 等成功地使用仿生3D打印技術(shù)在蘑菇上種植了藍(lán)藻菌群（圖8）。

圖8  3D打印納米生物技術(shù)

仿生材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展十分艱難，因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域關(guān)聯(lián)著更多其他基礎(chǔ)學(xué)科、科研方向的發(fā)展，如工程學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、理化科學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)等。目前來(lái)看，仿生材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步的階段，其未來(lái)的發(fā)展還有一段漫長(zhǎng)的路要走，要堅(jiān)信仿生材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)對(duì)未來(lái)社會(huì)的進(jìn)步、科技的進(jìn)步做出重要的貢獻(xiàn)。

仿生材料的出現(xiàn)將成為材料發(fā)展歷史的又一座里程碑。如何低成本、高效率的制造出新型仿生材料將是其能否繼續(xù)快速發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

未來(lái)仿生新材料的發(fā)展，要順應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，不斷推陳出新、滿足新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，將仿生科學(xué)與微生物學(xué)、工程學(xué)、細(xì)胞學(xué)、理化科學(xué)等學(xué)科緊密結(jié)合起來(lái)，精確地構(gòu)建多尺度宏觀/微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)功能一體化。但是，就目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)許多與仿生材料相關(guān)的科研工作僅停留在實(shí)驗(yàn)室的制備和應(yīng)用層面，在工程應(yīng)用及工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際效果仍有待考察和檢驗(yàn)。因此，合理地設(shè)計(jì)生產(chǎn)制備工藝，優(yōu)化制備方法，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模精確的材料制造與加工成型，也是仿生材料領(lǐng)域亟待解決的瓶頸問(wèn)題。

對(duì)于未來(lái)仿生新材料的規(guī)劃展望如下：（1）應(yīng)盡早突破生物材料結(jié)構(gòu)與功能表征等關(guān)鍵技術(shù)，揭示典型生物材料卓越性能的內(nèi)在規(guī)律；（2）建立出性能與功能仿生的設(shè)計(jì)模板，至少發(fā)展出幾種典型極端環(huán)境（如超輕、抗電磁、低頻隱身等）仿生材料的制備方法；（3）研制出滿足未來(lái)裝備智能化、無(wú)人化發(fā)展的環(huán)境敏感響應(yīng)的材料；（4）對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的生物附著、環(huán)境因素等研發(fā)出具有自感知、自適應(yīng)、自修復(fù)能力、并能提升裝備效能的新材料；（5）利用仿生新材料研制出典型的器件，且性能應(yīng)處于世界先進(jìn)水平，并在武器裝備上得以應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)（略）