作為 21世紀發展新材料領域的重大方向之一，仿生材料的研究將融入信息通信、人工智能、創新制造等高新技術，逐漸使傳統意義上的結構材料與功能材料的分界消失，實現材料的智能化、信息化、結構功能一體化。作為材料發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快速發展的關鍵問題。

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、有機高分子材料基礎上的可設計智能材料。仿生材料的最大特點是可設計性，人們可提取出自然界的生物原型，探究其功能性原理，并通過該原理設計出能夠有效感知到外界環境刺激并迅速做出反應的新型功能材料。作為 21世紀發展新材料領域的重大方向之一，仿生材料的研究將融入信息通信、人工智能、創新制造等高新技術，逐漸使傳統意義上的結構材料與功能材料的分界消失，實現材料的智能化、信息化、結構功能一體化。

仿生材料的出現將成為材料發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快速發展的關鍵問題，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構自適應、界面自清潔、界面自感知、能量自供給與轉化的基本原理，發展仿生新型結構材料、新型智能界面材料、新型物質能量轉化材料，為新質戰斗力的形成和現役裝備的改進改型提供材料的保障與支撐。仿生材料對于推動材料科學的發展與人類社會文明的進步具有重大的意義。

現如今仿生新材料在建筑行業、生物醫療、信息通信、節能減排等領域已經得到了較為廣泛的應用。例如：模仿甲蟲鞘翅結構設計的建筑混凝土夾芯板、模仿蜂巢設計的蜂窩泡沫橡膠、模仿變色龍設計的柔性變色皮膚、模仿鯊魚盾鱗結構設計的防污減阻材料等。

仿生建筑結構材料

仿生建筑材料指的是把自然界中一些生物體當成研究對象，對生物體的結構和功能進行有關的探索并應用于建筑領域的材料。隨著對仿生建筑材料研究的深入，不斷興起了一些相關的學科，例如：仿生設計學、結構仿生學等。其中，結構仿生學作為仿生建筑材料研究的基礎科學，對于未來仿生材料在建筑結構上的應用十分關鍵。

中國作為人口大國，每年全國的糧食生產總量達 5億 t以上，大量的秸稈、稻草等農業副產物被焚燒，不僅造成了資源的浪費，還對大氣環境造成了嚴重的污染。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度低、無法承載過大的重量。事實上，秸稈、稻草等農業副產物還可以通過機械疊加的方式與不同種類的材料結合，在充分利用各自材料優勢的基礎上，制成強度高、質量輕的夾層結構。尤其是在承重墻中，由鋼板與混凝土組合而成的夾層結構具有強度高、質量輕等優點，不僅可用作結構承重材料，還可用作建筑保溫材料，具有相當可觀的經濟價值。

甲蟲，作為一種人們熟知的生物，早在幾十億年前就已經存在于地球之上。經過漫長的生物演變過程，其前鞘翅結構已進化成為一種具有特殊功能的生物結構。例如，甲蟲的鞘翅板三維結構便是一個集偽裝與防護相結合的微觀結構，它是一個高度進化、質量輕、強度高的生物結構，如圖 1所示。南京大學 Chen等利用秸稈等農業副產物，仿照甲蟲的鞘翅結構，研制了一種新型仿生夾層混凝土夾芯板SCBEPs，對SCBEPs的力學性能和保溫性能進行了有限元分析，據分析結果得知：該結構夾芯板具有極高的剛度、更密實的表面密度和更好的耐久性，相比傳統建筑行業的普通夾芯板，不僅可以節省能源，還可做到綠色環保。

圖1 甲蟲鞘翅板的生物原型

人類目前對于建筑物設計的發展水平已經達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域能夠有如此成熟的設計，有一大半的功勞要歸功于自然界的“建筑大師”。著名生物學家 Charles認為：“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、既美觀又實用的杰出建筑。蜂巢輕質高強，是建筑材料的發展方向之一。人類從蜂巢上獲得了巨大的啟示，創造發明了蜂窩泡沫砼、蜂窩泡沫塑料、蜂窩泡沫橡膠及蜂窩泡沫玻璃等仿生結構材料。實踐證明，這些仿生蜂窩狀材料，既隔熱又保溫，結構輕巧、造型美觀。目前，仿照蜂巢結構設計制備的建筑物已遍布世界（圖2）。

圖2 仿蜂巢建筑物設計

仿生智能修復材料

材料在服役期間不可避免地會產生微裂紋和壞損，由此引發的宏觀應力裂紋會嚴重影響材料的使用以及設備的運行，甚至會造成材料的失效并造成損失慘重的事故。如果能在材料內部產生微裂紋前對其進行預防，對于延長材料的使用壽命、消除工程應用的安全隱患、提高材料的利用率具有重要意義。但是材料內部產生微裂紋的時間點是不易察覺的，因此如何能夠實現材料的自我修復及愈合是一個需要迫切解決的問題。

自修復自適應界面材料是近幾十年來興起的一種新型仿生智能材料，其核心源于對自然界生物體損傷及愈合機理的研究與模仿，通過補給所需的物質和能量，進而實現材料內部或者外部損傷的自修復與自愈合。自修復自適應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性質，在接受外界環境的刺激時，還能主動地調節自身的材料屬性，以達到適應外界環境改變的效果。自適應的含義包括了材料各方面的性質，如自我回復能力：指的材料的外形、結構等發生改變后可以自動還原；自我調節能力：材料的物理化學狀態隨著外部環境的變化而發生調整。

仿照豬籠草等植物的表皮結構制備的潤滑液浸漬涂層，同樣也是一種不錯的自修復界面材料。圖3所示為 Wong等關于仿豬籠草結構的最新研究成果，與很多動植物表層分泌保護液的過程類似，當表面的潤滑浸潤層受到機械外力作用而被破壞時，在多孔介質儲層中的潤滑油會通過與多孔介質的動態反饋機制自動補充到表面浸潤層，使其恢復到原來的穩定狀態，從而維持原有的材料性能。

圖 3 仿豬籠草超光滑自修復多孔表面

“變色龍”當屬自然界中的自感知偽裝大師。變色龍的表皮有一種結構——皮膚感受器，在變色龍皮膚感受器的表皮細胞內存儲著黑色、紅色、綠色、紫色、藍色、黃色等各種顏色的色素細胞。當外界的環境發生變化時，皮膚感受器會接受到光線或溫度變化帶來的刺激，進而調整內部色素細胞的狀態，實現身體的換色。圖 4所示為加州大學伯克利分校開發的仿生柔性自感知電子皮膚，通過光照響應等外界條件的改變，該皮膚可實現變色。

圖4 仿變色龍自感知柔性皮膚

仿生節能減阻材料

將仿生材料應用于能源環境研究領域始終是熱點前沿問題。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行遷徙，遷徙的距離甚至可達上萬公里，其表皮自清潔界面的微結構自此過程中發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的蛋白基體，這些基體與海洋生物的表皮層穩固的結合形成一層較厚的疏水層，使得表皮具有自清潔的能力。例如鯊魚的體表，是一種盾鱗的結構，這種結構之間的溝槽為開發海洋防污減阻涂層提供了思路，圖 5所示為仿照鯊魚盾鱗結構設計的自清潔減阻材料。

圖5 仿鯊魚盾鱗自清潔減阻材料

仿鯊魚盾鱗結構防污減阻材料的研究始于 20世紀80年代，美國國家宇航局將該研究稱為未來航空產業的關鍵技術。仿鯊魚盾鱗結構防污減阻材料對于飛行器的設計至關重要，是實現飛行器提速、延長飛行器續航時間、減少飛行器燃料損耗的關鍵一環。

另一種生物，樹蛙的趾、指末端吸盤及邊緣溝壑明顯，吸盤背面呈現出“Y”的形狀。正是由于樹蛙指、趾末端吸盤的存在，使得樹蛙可在植物上敏捷自由的移動。樹蛙腳趾表皮的結構為納米尺度柱體密集排布組成六邊形表皮結構單元，結構單元間的空隙充滿流體分泌物，寬約 1 μm。樹蛙腳趾表皮納米級別的柱體及其間的狹縫可以通過在界面處保持液體薄膜來提高其與基體的黏性。該表皮結構通過黏性液體的充滿界面和脫離界面實現界面的黏結和脫黏，有機黏劑不會硬化。狹縫的結構和生理系統可以儲存和再生有機黏劑，便于其快速黏附于粗糙表面。

受樹蛙趾結構的啟發，武漢大學薛龍建課題組制備了一種微納復合六邊形柱狀陣列，如圖 6所示。該結構由聚二甲基硅氧烷（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，該結構受到的應力可以在PS與PDMS間進行有效的傳遞。

圖6 仿樹蛙趾結構六邊形微納結構

隨著壓電納米發電機和摩擦電納米發電機的相繼問世，自供電系統對環境機械能的獲取變得更加高效、低損耗和簡單。將輕型可變電源引入仿生微型飛行器（BMAV）中，廣泛應用于軍事偵察或大氣污染監測等領域，是當前將仿生材料應用于能源環境研究領域的前沿熱點問題。北京交通大學魏國武等使用仿生技術研發了一種基于摩擦電機和壓電器件相結合的混合柔性納米發電機（圖7），該納米發電機不僅可以解決供電問題，還可智能監測周圍環境的變化。

圖7 仿生微型飛行器納米發電機

仿生智能醫學材料

生物醫學材料是將工程材料的設計理念運用在醫學和生物學的綜合體現。目的是為了縮小工程材料和醫學材料之間的實際應用差距。生物醫學材料的設計結合了工程材料設計和醫用材料設計的技巧，以改善醫療診斷、醫療監測的水平。生物醫學中仿生材料的概念目前處于醫學材料研究的最前沿。

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發的功能，提供了巨大的探索機會。這些微生物物種形成微生物群，相互之間有效地協同作用，并執行難以置信的任務。目前人們正在有選擇地、可控地將來自生物微觀世界的不同物種組合起來，實現面向創新應用的功能仿生體系結構，以便更好地認識生物微觀世界，從而帶來新的機遇。美國新澤西州史蒂文斯理工學院機械工程系神經仿生學與神經電醫學實驗室 Mannoor 等成功地使用仿生3D打印技術在蘑菇上種植了藍藻菌群（圖8）。

圖8 3D打印納米生物技術

仿生材料在醫學領域的應用及發展十分艱難，因為在這一領域關聯著更多其他基礎學科、科研方向的發展，如工程學、微生物學、細胞學、理化科學、預防醫學等。目前來看，仿生材料在醫學領域的應用尚處于起步的階段，其未來的發展還有一段漫長的路要走，要堅信仿生材料在醫學領域的應用將會對未來社會的進步、科技的進步做出重要的貢獻。

仿生材料的出現將成為材料發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快速發展的關鍵問題。

未來仿生新材料的發展，要順應國家發展戰略，產學研相結合，不斷推陳出新、滿足新型高新技術產業發展的需求，將仿生科學與微生物學、工程學、細胞學、理化科學等學科緊密結合起來，精確地構建多尺度宏觀/微觀結構，實現材料的結構功能一體化。但是，就目前來看，國內許多與仿生材料相關的科研工作僅停留在實驗室的制備和應用層面，在工程應用及工業生產中的實際效果仍有待考察和檢驗。因此，合理地設計生產制備工藝，優化制備方法，實現大規模精確的材料制造與加工成型，也是仿生材料領域亟待解決的瓶頸問題。

對于未來仿生新材料的規劃展望如下：（1）應盡早突破生物材料結構與功能表征等關鍵技術，揭示典型生物材料卓越性能的內在規律；（2）建立出性能與功能仿生的設計模板，至少發展出幾種典型極端環境（如超輕、抗電磁、低頻隱身等）仿生材料的制備方法；（3）研制出滿足未來裝備智能化、無人化發展的環境敏感響應的材料；（4）對戰場的生物附著、環境因素等研發出具有自感知、自適應、自修復能力、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，且性能應處于世界先進水平，并在武器裝備上得以應用。

來源：科學導報

本文作者：王博，張雷鵬，徐高平，李曉白，李垚