偷師大自然 仿生材料是一種怎樣的存在？

說起仿生大家肯定不陌生，比如大家耳熟能詳的雷達就是仿生蝙蝠而發明出來的，但說到仿生材料大家就不怎么熟了。其實CZM也不怎么熟，不過經過CZM的一番努力還是勉強寫了點東西，大家對里面的內容不可全信，拿去吹吹牛還是可以的，如果這篇文章能夠激發大家對材料的一點點興趣，那么我也心滿意足了。

大家被這么長的篇幅嚇到了嗎？其實大部分是圖片啦，文字只有一丟丟。

【荷葉與自清潔】

“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，這是大家都很熟悉的詩句，可有多少人知道它的原理呢？外行不知道也就算了，可如果學材料的人不知道那可就要面壁去了。

?圖1 荷葉表面結構圖

在顯微鏡下，荷葉表面有很多凸起，這些凸起是由一種叫做角質層蠟的疏水性物質組成的多孔結構，因其特殊的結構使得這些表面具有超疏水性（接觸角為160°），水珠在上面的形狀近似圓形，可以自由流動，流動的時候可以將表面的塵埃帶走從而達到清潔表面的效果。

一般來說，只靠材料本身只能獲得疏水性的表面，要獲得超疏水性的表面，就要將材料表面制成分層次的結構。受到荷葉表面結構的啟發，科學家用疏水性的聚苯乙烯做了相似的表面結構， 獲得了超疏水性的表面。

圖2 用聚苯乙烯仿生荷花表面做成的薄膜，圖d為水滴在表面上的形狀，看到這里你應該明白為什么水在荷葉上呆不住了吧。

自清潔表面有什么用呢？讓我們來看下面一組圖。

圖3 自清潔表面的防霧功能，左邊為普通玻璃，右邊為自清潔玻璃。

?圖4 自清潔表面的防凍功能，從左到右依次是親水性表面、疏水性表面和超疏水性表面，最右邊為超疏水性表面的結構。

?圖5 用兩面都有超疏水涂層的刀具切割小液滴（切割液滴是很困難的，不信你可以試試）

【甲殼蟲與空氣中取水】

凸起在生物的表面非常常見，研究人員發現沙漠中的甲殼蟲背面的凸起有收集空氣中水分的功能，進一步觀察可以發現這是由于水分在凸起頂點上凝結的最快。于是科學家就設計了一種類似于這種凸起的結構。

圖6 甲殼蟲表面的凸起

圖7 水珠在平面和凸起頂部的生長速度

但是這些凸起只能加快水分的凝結，怎么才能收集到這些水珠呢？

圖8 為了收集水珠而將凸起做成不對稱的形狀

【壁虎趾與爬墻】

還記得《碟中諜4》中男主角靠一雙手套就能沿著玻璃墻往上爬的情景嗎？你是否也想擁有這樣一雙手套呢？那我告訴你這個重任還得落在我們材料人身上。

在顯微鏡下觀察壁虎腳趾的結構如下圖所示，是不是很像牙刷？這種毛很細很柔軟，可以極大的增大腳趾與墻壁的接觸面積（一般物體實際的接觸面積是很小的），隨之增大的是腳趾與墻壁間的范德華力，壁虎就是靠著范德華力在墻壁上行走的。

圖9 壁虎腳趾的放大圖

根據這個原理，科學家設計了下面的結構。這種結構的表觀接觸面積雖然減少了，但是實際接觸面積卻大大增加，因此表現出很強的吸附能力。

?圖10 由聚亞氨酯（彈性模量為3MPa）制成的仿壁虎趾結構

壁虎的腳趾除了有很強的吸附能力外，還具有很強的自清潔能力，當有塵埃吸附在它上面時，只需走幾步就能將80%的顆粒去除。這個原理可以用我們生活中的經歷來解釋，我們可以用一根細線緩慢的提起一個重物，但如果我們想快速的把它提起來的話，細線就會斷裂。壁虎的腳趾也是一樣，當壁虎抬腳的速度達到一定值時（這個速度當然是正常的行走速度），上面吸附的顆粒就會掉落。

根據這個原理我們還可以做出另外的的東西—顯微操縱器，簡單來說，就是可以操縱微小粒子的儀器。

圖11 由聚酯纖維加上褶皺石墨烯制成的顯微操縱器

圖12 用顯微操縱器畫的壁虎，里面小顆粒的直徑為1-25μm

【結構色與變色衣服】

在生活中我們可以看到各種各樣的顏色，我們看到的顏色大部分是由色素造成的，這種顏色叫做色素色，還有一種叫結構色的色存在，材料本身沒有顏色，它的顏色來源于干涉、衍射和散射等光學現象。

蝴蝶的翅膀和孔雀的羽毛上的顏色就是結構色，通常結構色會根據觀察著的角度不同而變化，因而結構色一般是五彩繽紛的（同一表面有很多不同取向的微區），也可以改變材料里面的結構來改變結構色（比如通過壓力、溫度等）。

圖13 蛋白石的結構色及其表面結構

圖14 仿蛋白石設計的聚苯乙烯結構

為此科學家設計了一種有結構色的衣服，在拉力的作用下可以改變顏色，并且這種衣服不含染料，不會掉色，且對人體無害。

圖15 具有結構色的衣服，在拉力作用下顏色改變

【貽貝與水下膠水】

我們都知道用膠水粘東西的時候一定要把表面擦干，不然就會粘不牢固，但有些生物（如貽貝、沙塔等蠕蟲）能產生在水中粘附力也極強的蛋白質，通過研究這些蛋白質的結構和成分，科學家發明了一種可在水下迅速凝結的膠水（其中的原理小編也不太明白，有興趣的可以找小編要原文來研究一下）。

水下膠水的效果如何呢？請看下圖。

圖16 膠水在水下凝結25s后用壓力為2個大氣壓的水沖刷15s而不掉落

圖17 用膠水在水下粘結金屬塊和繩子（30分鐘），繩子可以把金屬塊提起來

【鯊魚與游泳衣】

鯊魚皮游泳衣，也叫神奇游泳衣，可以減少游泳時的阻力，提高游泳速度。但是鯊魚皮游泳衣并不是真的鯊魚皮，它因模仿鯊魚皮的表面結構而得名。

鯊魚皮表面呈V形的褶皺狀，這種結構可以減少水流的摩擦力，人類因此將游泳衣的表面也做成了類似鯊魚表面的結構，這種泳衣可以使人類的游泳速度提高3%。

圖18 鯊魚皮表面的微觀結構

除了減少摩擦之外，鯊魚皮還有一個特點，就是它不會被污染。你們可能知道船在水中久了表面會附著一層微生物，這層微生物不僅會降低船的速度，還會增加能源的消耗，目前水下防污垢的方法有很多種，其中仿生鯊魚皮制成的防污垢表面就是重要的一種。

【蜘蛛與流動傳感器】

下面介紹的這個跟材料本身沒多大關系，不過要制造這套裝置要運用到大量材料制備的知識（怎么制備我就不說了），因此也給大家介紹一下。

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？其實我覺得是它身上的毛。這些毛除了讓我們害怕還有什么作用呢？

圖19蜘蛛身上的毛以及毛的局部放大圖

這些毛非常敏感，讓它們工作只需要10-21J的能量（只有單個光子能量的1/100左右），通過這些毛蜘蛛可以感覺到周圍空氣的流動速度，加速度和位移等，讓它們能感知到獵物的方位和距離。

圖20 蜘蛛毛感知空氣流動的原理。空氣流動帶動蜘蛛毛運動，這個運動被神經細胞感知到。

根據這個工作原理，研究人員設計了下面兩種結構。

?圖21 壓阻和電容式流動傳感器。里面的“毛”可以隨空氣擺動，懸臂可以放大這個擺動，這個擺動可以變成電阻或者電容信號。
這些裝置不僅可以檢測到100mm/s的空氣流動（水下可以達到1mm/s），還可以確定流體流動的方向（精度達2.16度）。

流動傳感器對流體探測、渦流研究、水下和空中交通工具的平衡控制有重要意義。

【總結】

如果大家能堅持看到這里，可能會問為什么我講的好像跟材料沒什么關系。為了解答這個問題，我再給大家介紹一種材料—超材料。

超材料是指通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質往往不主要決定與構成材料的本征性質，而決定于其中的人工結構。換句話來說，超材料主要要指里面的人工結構。

超材料大家可能沒怎么聽過，不過隱身衣大家肯定熟悉，隱身材料就是超材料中的一種。

介紹完超材料，我們就可以理解我上面講的為什么也叫材料了。總之，自然界中有幾千萬種生物，目前人類能模仿的僅是其中的很少一部分，相信隨著人類認識的加深，會有更多的仿生材料面世。

本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。

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