仿生材料在各领域的实际应用

摘要：仿生材料属于可设计智能材料，是以人工合成材料、自然界原有材料、有机高分子材料为基础形成的属于新型功能材料，其最大属性为可设计性，人们由自然界中获取相关生物原型，深入分析其功能性，再据此获取对外部刺激比较敏感并能快速回应的新型功能材料。本文主要综述已有的仿生材料的原理及应用实例。

关键词：仿生材料；原理；智能材料；应用

人类探索自然的历程经历了数千年, 然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。基于材料层面分析生物体的特点，并开展仿生设计，以一种新型的方式研究新材料。仿生材料的发展日新月异，现已得到化学、材料科学、医学、矿物学、生物科学等多个学科的普遍关注，同时，在不同的的领域形成了大量的研究成果。由此可见，仿生材料的研究才刚刚起步，其研究前景非常广阔，并能应用于不同的领域。可设计性是这种新型仿生材料的最明显的属性，人们能够由自然界中获取相关生物原型，深入分析其功能性，再据此获取可以高度感知外界环境刺激并快速反应的新型功能材料

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。目前，仿生新材料已经普遍应用于居家装

饰设计、生物医疗、建筑行业、信息通信等多个领域。

1 仿生材料在建筑设计中的应用

在人类发展史上，材料意义深远，对现代文明具有重大意义，也是高新技术研究的前提。建筑材料的更新优化，在很大程度上推动建筑结构的变化。所谓建筑材料仿生，即根据天然生物的化学成分、结构特点、颜色、功能属性等，设计出所需要的新型材料，以适应人们在建筑材料种类以及功能等方面的需求。

根据自然界的蜂巢，设计出泡沫橡胶、蜂窝泡沫混凝土、泡沫玻璃以及泡沫塑料等材料，现实显示，此类蜂窝状材料具有多方面的优异性能，其内部气泡结构既美观又轻巧，还具有保温以及隔热功能。近年来，英国建筑师成功的设计

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了蜂窝状的墙壁，将以硬化剂以及树脂为基础获取的尿素甲醛泡沫填充在内部，应用此类墙壁的建筑物，冬暖夏凉、结构轻巧。

作为全新的轻质环保材料，此类蜂窝形仿生材料得到各个领域的普遍关注，并大量应用于家具设计、制造、包装等方面，比如蜂窝纸板、木质蜂窝板、蜂窝纸材料等。首先是木质蜂窝板，上下两块木质人造板通过胶合加压的方式与内部填充的纸质中空蜂窝六边形结合起来，属于新型轻质板材。

按照芯层外部社否存在木质边框，包括无框木质蜂窝板以及有框木质蜂窝板，其中，蜂窝纸板是以纸质材料作为其表板。在蜂窝形仿生材料中，一般通过牛皮纸排列的方式形成其芯层蜂窝，环保，能够回收利用。在整个结构来看，芯层材料为其主体，可以在很大程度上节约木质材料消耗规模，降低森林资源消耗，还存在强度大、轻质、费用小等优势。同时，蜂窝结构还可以有效的保温、隔热、减震、吸音，人们能够结合现实需要自由的确定蜂窝芯子、尺寸大小、表板材料、饰面图案等。由于其多方面的优良特性，现已得到各领域设计师的普遍关注。

2 仿生智能材料在医疗上的应用

在国际临床方面，如何修复以及再生缺损的大块骨问题，是一个很大的难题。在这方面，上海硅酸盐研究开展了仿生材料研究，改变了骨修复材料的诸多特性，比如孔隙率、孔隙组织形态、比表面积等，如此一来，材料前期诱导血管得到进一步优化，便具备了一定的生成特点，并增强了其力学性能，基于仿生学层面，通过不同的措施设计出全新的骨修复仿生支架，另外，其中存在天然生物中所具备的相关内部微观形态，深入分析其体内外成骨方面的各种不同的生物学效应，同时，进一步分析了支架力学韧性和强度大小以及仿生结构的关联、体内外支架的血管生成情况。

根据莲藕的内部形态，借助全新的存在相关力学属性以及流变学属性的3D打印浆料以及3D打印喷嘴，设计出新型的仿生莲藕3D打印支架，其内部所有基元均存在平行多通道结构。针对此种仿生莲藕支架，可以借助此新型的3D打印措施自由的变更其实际理化特点，既能以镁黄长石（AKT,Ca2Mg Si2O7）、ZrO2、Al2O3、Fe、Alginate等各种材质设计出相关仿生莲藕支架，又能够自由的改变仿

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生莲藕支架的基元尺寸大小、外观形态以及通道尺寸的比表面积、大小、数量、孔隙率、机械性能等。我们可以据此获取力学强度超过30MPa、孔隙率为80%的可以很好的应用于非承重骨组织修复的仿生莲藕AKT生物陶瓷支架。根据皮质骨层状的组织形态以及天然的贝壳珍珠层的组织形态，基于真空抽滤自组装手段，对生物矿化期间原位结晶羟基磷灰石（HA）进行仿生研究，设计出双仿生生物体系，设计出双仿生羟基磷灰石支架，不但具有贝壳“砖泥”多层结构，还具有皮质骨的多层卷筒结构。

关于此新型3D打印生物陶瓷骨修复支架，业内正在研究怎样增强其机械性能以及生物活性，由自然界获得灵感，通过天然生物形态特点获取启发，一是调整生物矿化层原本的微纳米组织形态的表面，二是设计仿生莲藕平行多通道结构，三是设计双仿生系统，既要具备贝壳“砖泥”多层结构，又要具备皮质骨卷筒结构，此类骨修复材料具有更加优异的韧性以及力学强度，还提高了体内成骨以及成血管的活性，这是一种新型的修复大块骨以及承重骨的途径。

3仿生材料集水方面的应用

在宏观尺度上，甲虫的鞘翅上不规则的分布着许多直径在0.5-1.5ｍｍ的凸起，相邻凸起之间的间距约为0.5ｍｍ，每个凸起的顶端是没有蜡层覆盖的亲水性区域，其他部分是涂有蜡层类似于荷叶表面的疏水性区域。雾气中的小液滴接触到凸起顶端的亲水区域后被吸附，与疏水部位的小液滴产生碰触，同样能有一定量被反弹后者吹至亲水区域，使亲水区域的小液滴迅速长大。逐渐地，水滴会覆盖甲虫背部凸起上的整个亲水区域。纳米布沙漠甲虫的这种集水方法为仿生材料带来了灵感，相应的亲疏水表面材料也被生产出来利用退湿润技术制造出亲疏水相间的凹凸表面，具有很好的集水效果。被纳米布沙漠甲虫利用亲疏水交替的凹凸背面的集水方式激发灵感，通过运用不同的材料复合技术，相继制造出了大量具有集水特性的仿生材料。在集水过程中，复合材料的表面结构、润湿性和外部条件的变化对集水效率都有一定的影响。

在防雾研究方面，纤维素等天然亲水性聚合物以及这方面的亲水性多糖得到了研究人员的普遍关注，由于其具备生物学和环境无害以及无毒的特点。基于结

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构层面分析，针对单糖以及二糖的重复单元，形成了多糖，其侧边存在的极性基团，例如羟基、氨基和羧基，主要起亲水的作用

仙人掌主要分布在南美洲、东南亚、非洲、中国南部等热带、亚热带干旱地区。正如江雷团队报告中所述，仙人掌能够在干旱的沙漠中生存，得益于它高效的雾水收集系统。仙人掌的表面被规则分布的刺和毛簇体覆盖，每根刺主要分成三个部分：带有定向倒钩的尖端部分，倒钩角度为２β；拥有梯度沟槽的中间部分和带毛状体的根部。在雾水收集过程中，每一部分发挥不同的作用，雾水收集的能力源于仙人掌的多重生物结构，表面自由能梯度以及拉普拉斯压力梯度联合影响，使液滴在仙人掌刺表面定向移动的种类，生活在地球上除南极外的各个地区

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。在自然界中，蜘蛛有各种各样。 蜘蛛丝是一维材料，蜘蛛丝纤

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维的直径范围从微米级到毫米级，不同蜘蛛丝之间的差异很难用肉眼分辨。蜘蛛丝纤维韧性大、耐高温、耐紫外线、强度高、易生物降解、弹性好，存在多种优良性能。是真正的“生物钢”，现已广泛出现在防弹衣制作、外科手术缝线、降落伞材料等方面。在2010年，Zheng等研究了蜘蛛丝的定向集水功能，发现干燥条件下的蜘蛛丝结构与雾气条件下的蜘蛛丝结构有所不同。蜘蛛丝的集水能力归因于一种独特的纤维结构，该结构由周期性纺锤节和关节构成，其中，纺锤节由随机杂乱的纳米纤维组成，关节则由排列整齐的纳米纤维组成。在潮湿的环境中，蜘蛛丝上首先重建出纺锤节结构，水滴在重建后的蜘蛛丝上凝结，紧接着，微小的水滴在驱动力作用下向纺锤节方向运动，实现集水。

4仿生材料在其他领域的应用

应用过程中，材料必然会出现不同程度的皮损以及裂缝，进一步形成宏观应力裂缝，最终对设备正常运行以及材料应用产生巨大的影响，还可能导致材料失效，导致巨大的损失。人们无法准确的掌握出现内部微裂纹的准确时间，所以，必须尽快的研究怎样使材料具备自我修复与愈合功能18-20]。润滑液浸渍涂层是基于猪笼草等植物的表皮形态特点设计而成，是一种优异的自修复界面材料。在仿猪笼草结构研究方面，与大量的动植物表层形成保护液的活动大致相仿，如果机械外力损伤其表面润滑浸润层，那么，基于多孔介质的动态反馈作用，储存

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在多孔介质储层内的润滑油会自动补充至表面浸润层，并达到以往的稳定状态，进而延续以往的材料特点。

在自然界中，“变色龙”的伪装功能独一无二，其表皮具有皮肤感受结构，其皮肤感受器内部的表皮细胞中具有不同的色素细胞，比如绿、紫、黑、红、蓝、黄等色素细胞。如果外部环境改变，温度以及光线的改变，会刺激皮肤感受器，然后改变内部色素细胞，改变肤色。加州大学伯克利分校受到“变色龙”的启发，设计出仿生柔性自感知电子皮肤,肤色会随着光照等外部因素的改变而改变。

20世纪80年代起，世界上就开始关注仿鲨鱼盾鳞结构防污减阻材料，在美国国家宇航局看来，这会在很大程度上决定航空产业未来发展。这种新型的材料能对飞行器设计产生不可估量的影响，能在很大程度上延长续航时间、提高飞行速度、节约燃料消耗。

结束语

目前来看，我国的仿生材料方面的研究大多处于实验室生产以及应用阶段，不管是工业制造领域，还是工程应用领域，其功效尚不明确。所以，应适当时的应用生产工艺，采用先进的生产技术，使加工成型以及材料制造更加精准、规模更大，这是仿生材料研究方面的一大难题。今后，在仿生新材料研究方面，必须产学研联系起来，结合国家发展计划，不断地设计出新的产品，以带动新型高新技术产业的快速发展，并要充分运用细胞学、微生物学、理化科学以及工程学等不同的学科，精确的设计出多尺度宏观、微观结构，最终达到材料的结构功能一体化。

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