偷师大自然 仿生材料是一种怎样的存在？

说起仿生大家肯定不陌生，比如大家耳熟能详的雷达就是仿生蝙蝠而发明出来的，但说到仿生材料大家就不怎么熟了。其实CZM也不怎么熟，不过经过CZM的一番努力还是勉强写了点东西，大家对里面的内容不可全信，拿去吹吹牛还是可以的，如果这篇文章能够激发大家对材料的一点点兴趣，那么我也心满意足了。

大家被这么长的篇幅吓到了吗？其实大部分是图片啦，文字只有一丢丢。

【荷叶与自清洁】

“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，这是大家都很熟悉的诗句，可有多少人知道它的原理呢？外行不知道也就算了，可如果学材料的人不知道那可就要面壁去了。

图1 荷叶表面结构图

在显微镜下，荷叶表面有很多凸起，这些凸起是由一种叫做角质层蜡的疏水性物质组成的多孔结构，因其特殊的结构使得这些表面具有超疏水性（接触角为160°），水珠在上面的形状近似圆形，可以自由流动，流动的时候可以将表面的尘埃带走从而达到清洁表面的效果。

一般来说，只靠材料本身只能获得疏水性的表面，要获得超疏水性的表面，就要将材料表面制成分层次的结构。受到荷叶表面结构的启发，科学家用疏水性的聚苯乙烯做了相似的表面结构， 获得了超疏水性的表面。

图2 用聚苯乙烯仿生荷花表面做成的薄膜，图d为水滴在表面上的形状，看到这里你应该明白为什么水在荷叶上呆不住了吧。

自清洁表面有什么用呢？让我们来看下面一组图。

图3 自清洁表面的防雾功能，左边为普通玻璃，右边为自清洁玻璃。

图4 自清洁表面的防冻功能，从左到右依次是亲水性表面、疏水性表面和超疏水性表面，最右边为超疏水性表面的结构。

图5 用两面都有超疏水涂层的刀具切割小液滴（切割液滴是很困难的，不信你可以试试）

【甲壳虫与空气中取水】

凸起在生物的表面非常常见，研究人员发现沙漠中的甲壳虫背面的凸起有收集空气中水分的功能，进一步观察可以发现这是由于水分在凸起顶点上凝结的最快。于是科学家就设计了一种类似于这种凸起的结构。

图6 甲壳虫表面的凸起

图7 水珠在平面和凸起顶部的生长速度

但是这些凸起只能加快水分的凝结，怎么才能收集到这些水珠呢？

图8 为了收集水珠而将凸起做成不对称的形状

【壁虎趾与爬墙】

还记得《碟中谍4》中男主角靠一双手套就能沿着玻璃墙往上爬的情景吗？你是否也想拥有这样一双手套呢？那我告诉你这个重任还得落在我们材料人身上。

在显微镜下观察壁虎脚趾的结构如下图所示，是不是很像牙刷？这种毛很细很柔软，可以极大的增大脚趾与墙壁的接触面积（一般物体实际的接触面积是很小的），随之增大的是脚趾与墙壁间的范德华力，壁虎就是靠着范德华力在墙壁上行走的。

图9 壁虎脚趾的放大图

根据这个原理，科学家设计了下面的结构。这种结构的表观接触面积虽然减少了，但是实际接触面积却大大增加，因此表现出很强的吸附能力。

图10 由聚亚氨酯（弹性模量为3MPa）制成的仿壁虎趾结构

壁虎的脚趾除了有很强的吸附能力外，还具有很强的自清洁能力，当有尘埃吸附在它上面时，只需走几步就能将80%的颗粒去除。这个原理可以用我们生活中的经历来解释，我们可以用一根细线缓慢的提起一个重物，但如果我们想快速的把它提起来的话，细线就会断裂。壁虎的脚趾也是一样，当壁虎抬脚的速度达到一定值时（这个速度当然是正常的行走速度），上面吸附的颗粒就会掉落。

根据这个原理我们还可以做出另外的的东西—显微操纵器，简单来说，就是可以操纵微小粒子的仪器。

图11 由聚酯纤维加上褶皱石墨烯制成的显微操纵器

图12 用显微操纵器画的壁虎，里面小颗粒的直径为1-25μm

【结构色与变色衣服】

在生活中我们可以看到各种各样的颜色，我们看到的颜色大部分是由色素造成的，这种颜色叫做色素色，还有一种叫结构色的色存在，材料本身没有颜色，它的颜色来源于干涉、衍射和散射等光学现象。

蝴蝶的翅膀和孔雀的羽毛上的颜色就是结构色，通常结构色会根据观察着的角度不同而变化，因而结构色一般是五彩缤纷的（同一表面有很多不同取向的微区），也可以改变材料里面的结构来改变结构色（比如通过压力、温度等）。

图13 蛋白石的结构色及其表面结构

图14 仿蛋白石设计的聚苯乙烯结构

为此科学家设计了一种有结构色的衣服，在拉力的作用下可以改变颜色，并且这种衣服不含染料，不会掉色，且对人体无害。

图15 具有结构色的衣服，在拉力作用下颜色改变

【贻贝与水下胶水】

我们都知道用胶水粘东西的时候一定要把表面擦干，不然就会粘不牢固，但有些生物（如贻贝、沙塔等蠕虫）能产生在水中粘附力也极强的蛋白质，通过研究这些蛋白质的结构和成分，科学家发明了一种可在水下迅速凝结的胶水（其中的原理小编也不太明白，有兴趣的可以找小编要原文来研究一下）。

水下胶水的效果如何呢？请看下图。

图16 胶水在水下凝结25s后用压力为2个大气压的水冲刷15s而不掉落

图17 用胶水在水下粘结金属块和绳子（30分钟），绳子可以把金属块提起来

【鲨鱼与游泳衣】

鲨鱼皮游泳衣，也叫神奇游泳衣，可以减少游泳时的阻力，提高游泳速度。但是鲨鱼皮游泳衣并不是真的鲨鱼皮，它因模仿鲨鱼皮的表面结构而得名。

鲨鱼皮表面呈V形的褶皱状，这种结构可以减少水流的摩擦力，人类因此将游泳衣的表面也做成了类似鲨鱼表面的结构，这种泳衣可以使人类的游泳速度提高3%。

图18 鲨鱼皮表面的微观结构

除了减少摩擦之外，鲨鱼皮还有一个特点，就是它不会被污染。你们可能知道船在水中久了表面会附着一层微生物，这层微生物不仅会降低船的速度，还会增加能源的消耗，目前水下防污垢的方法有很多种，其中仿生鲨鱼皮制成的防污垢表面就是重要的一种。

【蜘蛛与流动传感器】

下面介绍的这个跟材料本身没多大关系，不过要制造这套装置要运用到大量材料制备的知识（怎么制备我就不说了），因此也给大家介绍一下。

不知道你害不害怕蜘蛛，反正我是很怕，最令人害怕的是什么呢？其实我觉得是它身上的毛。这些毛除了让我们害怕还有什么作用呢？

图19蜘蛛身上的毛以及毛的局部放大图

这些毛非常敏感，让它们工作只需要10-21J的能量（只有单个光子能量的1/100左右），通过这些毛蜘蛛可以感觉到周围空气的流动速度，加速度和位移等，让它们能感知到猎物的方位和距离。

图20 蜘蛛毛感知空气流动的原理。空气流动带动蜘蛛毛运动，这个运动被神经细胞感知到。

根据这个工作原理，研究人员设计了下面两种结构。

图21 压阻和电容式流动传感器。里面的“毛”可以随空气摆动，悬臂可以放大这个摆动，这个摆动可以变成电阻或者电容信号。
这些装置不仅可以检测到100mm/s的空气流动（水下可以达到1mm/s），还可以确定流体流动的方向（精度达2.16度）。

流动传感器对流体探测、涡流研究、水下和空中交通工具的平衡控制有重要意义。

【总结】

如果大家能坚持看到这里，可能会问为什么我讲的好像跟材料没什么关系。为了解答这个问题，我再给大家介绍一种材料—超材料。

超材料是指通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。换句话来说，超材料主要要指里面的人工结构。

超材料大家可能没怎么听过，不过隐身衣大家肯定熟悉，隐身材料就是超材料中的一种。

介绍完超材料，我们就可以理解我上面讲的为什么也叫材料了。总之，自然界中有几千万种生物，目前人类能模仿的仅是其中的很少一部分，相信随着人类认识的加深，会有更多的仿生材料面世。

本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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