仿生功能材料2第一章緒論仿生功能材料第一節(jié)功能材料的定義與分類第二節(jié)仿生功能材料的定義與特征第一節(jié)功能材料的定義與分類導語材料是國家基礎產(chǎn)業(yè)，是高新技術產(chǎn)業(yè)和國防工業(yè)發(fā)展的重要支撐，是社會進步和國家富強的重要標志。功能材料超越了傳統(tǒng)材料的局限，成為一類能夠智能地與外部世界交互，根據(jù)特定環(huán)境刺激展現(xiàn)出預期功能的先進材料，是材料科學中最活躍的研究領域之一。功能材料的發(fā)展歷程是科技進步的縮影，也是人類智慧的結晶。如今，借助先進的計算機模擬和精密的材料分析技術，科學家們能夠在原子尺度上設計出具有特定功能的材料。這些材料對溫度、壓力、濕度、pH值、電磁場和光照等多種外界刺激都有著敏銳的響應能力，這些響應可能是瞬時的，也可能是延時的，甚至是可逆的或一次性的。一、功能材料的定義第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料，是指通過光、電、磁、熱、化學、生化等作用后具有特定功能的材料。功能材料的定義還可以從以下幾個方面進行闡述：（1）功能特性：包括電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物學等。（2）非結構用途：功能材料主要用于實現(xiàn)特定的功能，而不是作為結構支撐。（3）高技術性：功能材料通常與高技術領域緊密相關，如信息技術、生物工程技術等。（4）多功能性：可以同時具有多種功能特性。（5）環(huán)境適應性：隨著對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視，功能材料的研究和應用也越來越注重其環(huán)境適應性。圖1一、功能材料的定義第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料的可控性是其核心特征之一?？茖W家們通過改變材料的組成、結構或制造工藝，實現(xiàn)了對材料功能的精確調控。這種控制不僅局限于宏觀層面，更是延伸到了納米乃至原子級別。隨著多功能材料研究的不斷深入，將多種功能集成到單一材料中已成為可能。這種集成化的優(yōu)勢，使得材料能夠在一個系統(tǒng)中同時執(zhí)行多個任務，如感知、處理和響應，極大地提高了系統(tǒng)的效率和減少了材料的使用?？鐚W科合作在功能材料的研究中起著至關重要的作用。隨著對可持續(xù)發(fā)展的需求日益增長，功能材料的研究更加重視環(huán)境友好和生態(tài)平衡。目前，研究人員正致力于開發(fā)在生產(chǎn)和使用過程中能夠減少能源消耗和污染的材料。一、功能材料的定義第一節(jié)功能材料的定義與分類隨著科技的不斷進步，功能材料的研究和應用正變得日益重要。電子信息技術領域，功能材料的發(fā)展使得電子設備更加微型化和智能化，為人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了堅實的基礎。能源與環(huán)境領域，功能材料的創(chuàng)新使得我們能夠更有效地利用可再生能源，并且在環(huán)境保護方面發(fā)揮著越來越重要的作用。醫(yī)療健康領域，功能材料的應用正在革新傳統(tǒng)的治療方法，使得醫(yī)療更加精準和個性化。工業(yè)與生活領域，功能材料的應用使得產(chǎn)品更加耐用、安全和舒適，提高了人們的生活水平。隨著科技的不斷進步，功能材料的未來將更加光明，它們將在科技革命中發(fā)揮更重要的作用。未來，功能材料的研究將更加注重智能化、自修復能力和環(huán)境適應性。這些材料不僅將推動科技的發(fā)展，還將幫助我們建設一個更加綠色、健康和可持續(xù)的世界。二、功能材料的分類第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料的分類可以根據(jù)不同的標準和角度進行。以下是一些常見的功能材料分類方式：（一）按材料的化學組成分類金屬功能材料：包括純金屬和合金，如形狀記憶合金、超導材料等。無機非金屬功能材料：包括陶瓷、玻璃、半導體、絕緣體等，如壓電陶瓷、磁性陶瓷、半導體材料等。有機功能材料：包括聚合物、有機半導體、液晶材料等，如導電聚合物、有機發(fā)光材料等。復合功能材料：由兩種或兩種以上不同類型的材料復合而成，如金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、聚合物基復合材料等。圖2二、功能材料的分類第一節(jié)功能材料的定義與分類（二）按材料的物理性質分類電功能材料：如導電材料、絕緣材料、半導體材料、壓電材料、熱電材料等。磁功能材料：如軟磁材料、硬磁材料、磁性液體、磁性薄膜等。光功能材料：如發(fā)光材料、光導材料、光存儲材料、光催化材料等。熱功能材料：如熱電材料、熱導材料、相變材料等。聲功能材料：如超聲材料、聲波導材料等。力學功能材料：如形狀記憶合金、超彈性材料、高強度材料等?；瘜W功能材料：如催化劑、吸附材料、離子交換材料等。生物功能材料：如生物降解材料、組織工程材料等。功能材料的分類可以根據(jù)不同的標準和角度進行。以下是一些常見的功能材料分類方式：二、功能材料的分類第一節(jié)功能材料的定義與分類（三）按功能材料的應用領域分類電子功能材料：用于電子設備和系統(tǒng)，如導電材料、半導體材料、磁性材料等。能源功能材料：用于能源存儲和轉換，如太陽能電池材料、燃料電池材料、儲氫材料等。生物醫(yī)用功能材料：用于醫(yī)療和生物工程領域，例如，人工器官、生物相容性材料、藥物載體等。環(huán)境功能材料：用于環(huán)境保護和治理，如空氣凈化材料、水處理材料、環(huán)境監(jiān)測材料等。智能功能材料：具有感知環(huán)境變化并做出相應反應的能力，如形狀記憶合金、壓電材料、光敏材料等。功能材料的分類可以根據(jù)不同的標準和角度進行。以下是一些常見的功能材料分類方式：二、功能材料的分類第一節(jié)功能材料的定義與分類（四）按功能材料的結構分類納米功能材料：具有納米尺度的結構特征，如納米粒子、納米線、納米薄膜等。薄膜功能材料：以薄膜形式存在的功能材料，如導電薄膜、磁性薄膜、光學薄膜等。塊狀功能材料：具有宏觀尺寸的塊狀結構，如塊狀金屬、陶瓷塊體等。功能材料的分類可以根據(jù)不同的標準和角度進行。以下是一些常見的功能材料分類方式：（五）按功能材料的加工方式分類粉末冶金功能材料：通過粉末冶金技術制備的功能材料?；瘜W氣相沉積功能材料：通過化學氣相沉積技術制備的功能材料。物理氣相沉積功能材料：通過物理氣相沉積技術制備的功能材料。溶膠-凝膠功能材料：通過溶膠-凝膠過程制備的功能材料。三、功能材料的應用（一）電子與信息技術第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料在電子與信息技術領域扮演著至關重要的角色，不僅支撐了現(xiàn)代電子設備的運行，還推動了信息技術的快速發(fā)展。按照功能材料的分類，功能材料在電子信息技術領域主要有以下應用：半導體材料：用于制造晶體管、集成電路、激光器等關鍵電子元件。隨著技術的發(fā)展，其他半導體材料如砷化鎵、氮化鎵等也在特定應用中顯示出優(yōu)勢。導電材料：這些材料通常具有良好的電導率，如銅、鋁等金屬材料。磁性材料：磁性材料在數(shù)據(jù)存儲、傳感器、電機等領域有廣泛應用。壓電材料：壓電材料能夠將機械壓力轉換為電能，反之亦然。光功能材料：光功能材料用于LED、激光器、太陽能電池等。三、功能材料的應用（二）能源與環(huán)境第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料在能源與環(huán)境領域的作用日益凸顯，它們對于開發(fā)可持續(xù)能源和保護環(huán)境至關重要。按照功能材料的分類，功能材料在能源與環(huán)境領域主要有以下應用：太陽能電池材料：太陽能電池材料能夠將太陽能轉換為電能，是可再生能源技術的關鍵。燃料電池材料：燃料電池材料能夠將氫氣和氧氣直接轉換為電能，是一種高效的清潔能源技術。儲氫材料：儲氫材料用于安全高效地儲存氫氣，是氫能源技術的關鍵。熱電材料：熱電材料能夠將溫差轉換為電能，用于廢熱回收和能量轉換。環(huán)境監(jiān)測材料：環(huán)境監(jiān)測材料用于監(jiān)測空氣和水質污染，三、功能材料的應用（三）生物醫(yī)學與健康第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料在生物醫(yī)學和健康領域有著廣泛的應用，它們對于疾病診斷、治療和預防具有重要作用。按照功能材料的分類，功能材料在生物醫(yī)學與健康領域主要有以下應用：生物醫(yī)用材料：生物醫(yī)用材料用于制造人工器官、組織工程支架、藥物輸送系統(tǒng)等。這些材料需要具有良好的生物相容性和生物活性。生物相容性材料：生物相容性材料用于制造植入體、支架、縫合線等，這些材料需要與人體組織相兼容，避免引起免疫反應。生物降解材料：生物降解材料用于制造可降解的醫(yī)療設備和包裝材料，這些材料在使用后能夠自然分解，減少環(huán)境污染?？咕牧希嚎咕牧嫌糜卺t(yī)療設備和衛(wèi)生用品，能夠抑制細菌生長，預防感染。三、功能材料的應用（四）機械與結構第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料在機械與結構領域也有著廣泛的應用，它們能夠提高結構的性能和可靠性。按照功能材料的分類，功能材料在機械與結構領域主要有以下應用：形狀記憶合金：形狀記憶合金能夠記憶其原始形狀，并在特定條件下恢復到該形狀。這些材料用于制造自適應結構、智能連接器等。超彈性材料：超彈性材料具有極高的彈性變形能力，用于制造抗沖擊的防護裝備、眼鏡架等。高強度材料：高強度材料用于航空航天、汽車制造、建筑結構等，以提高結構的承載能力和安全性。三、功能材料的應用（五）光學與顯示第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料在光學與顯示領域有著重要的應用，它們對于提高顯示質量、開發(fā)新型顯示技術至關重要。按照功能材料的分類，功能材料在光學與顯示領域主要有以下應用：光學材料：光學材料用于制造透鏡、光纖、光學傳感器等，這些材料需要具有良好的光學性能。液晶材料：液晶材料用于液晶顯示器，能夠通過電場控制液晶分子的排列，實現(xiàn)圖像的顯示。光導材料：光導材料用于光纖通信、光開關等，這些材料能夠高效傳輸光信號。（六）智能系統(tǒng)與機器人智能材料：智能材料如形狀記憶合金、壓電材料等，用于制造能夠感知環(huán)境變化并做出相應反應的智能系統(tǒng)和機器人。自修復材料：自修復材料能夠在受到損傷后自動修復，用于制造能夠自我修復的結構和設備。功能材料在智能系統(tǒng)和機器人領域有著重要的應用，它們能夠提高系統(tǒng)的智能水平和適應能力。按照功能材料的分類，功能材料在智能系統(tǒng)與機器人領域主要有以下應用：三、功能材料的應用（七）其他應用第一節(jié)功能材料的定義與分類功能材料的應用不僅限于上述領域，隨著科技的發(fā)展，新材料的開發(fā)和應用將不斷拓展，為人類社會帶來更多創(chuàng)新和便利。如：傳感器材料：傳感器材料用于各種環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、安全檢測等，能夠感知溫度、壓力、化學物質等環(huán)境變化。催化劑材料：催化劑材料用于化學工業(yè)、環(huán)境保護、能源轉換等，能夠加速化學反應，提高反應效率。隱身材料：隱身材料用于軍事裝備，能夠減少雷達波的反射，提高裝備的隱蔽性。功能材料的應用領域非常廣泛，涵蓋了現(xiàn)代科技的多個方面。隨著科技的進步和新材料的開發(fā)，功能材料的應用將不斷拓展，為人類社會帶來更多創(chuàng)新和便利。一、仿生功能材料的定義第二節(jié)仿生功能材料的定義與特征自然界是人類智慧的源泉，生物體在漫長的進化過程中形成了許多獨特的結構和功能，這些結構和功能在材料科學領域具有重要的借鑒意義。仿生功能材料的研究正是基于對生物體結構和功能的深入理解，通過模仿和創(chuàng)新，開發(fā)出具有特定功能的新型材料。仿生功能材料是指模仿自然界生物體的結構、功能和特性而開發(fā)的材料。這些材料通過模擬生物體的形態(tài)、結構、功能和工作原理，以實現(xiàn)特定的功能和性能。仿生功能材料的研究和開發(fā)，旨在將自然界中生物體的高效、節(jié)能、環(huán)保和自適應等特性引入到人工材料中，以滿足現(xiàn)代科技和工業(yè)的需求。二、仿生功能材料的特征第二節(jié)仿生功能材料的定義與特征仿生功能材料的研究主要從以下三個方面展開：結構仿生：仿生功能材料在微觀和宏觀層面上模仿生物體的結構，例如模仿骨骼的多孔結構、模仿植物葉片的微納結構等。這些結構賦予材料獨特的力學性能，如高比強度、高比剛度和良好的韌性。功能仿生：仿生功能材料通過模仿生物體的功能，例如模仿荷葉的自清潔功能、模仿鯊魚皮膚的減阻功能等，以實現(xiàn)特定的功能，如自清潔、減阻等。智能仿生：一些仿生功能材料具有智能響應特性，能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化（如溫度、濕度、pH值等）自動調整其物理或化學性質，如形狀記憶合金、壓電材料等。二、仿生功能材料的特征第二節(jié)仿生功能材料的定義與特征仿生功能材料的特征主要體現(xiàn)在以下幾個方面：環(huán)境適應性：仿生功能材料能夠適應不同的環(huán)境條件，如溫度、濕度、化學環(huán)境等。這種適應性使得仿生功能材料在極端環(huán)境下也能保持其性能。仿生功能材料在設計和制造過程中注重環(huán)境友好和可持續(xù)性，如使用可降解材料、減少生產(chǎn)過程中的能源消耗和環(huán)境污染等。多功能集成：仿生功能材料往往集成了多種功能，如同時具有電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物學等特性，以滿足復雜的應用需求。自修復能力：一些仿生功能材料具有自修復能力，能夠在受到損傷后自動修復，如通過微裂紋的愈合機制實現(xiàn)自我修復。生物相容性：在生物醫(yī)學領域，仿生功能材料需要具有良好的生物相容性，以確保與人體組織的兼容性，如用于人工器官、組織工程支架等。高效節(jié)能：仿生功能材料的設計和應用往往追求高效節(jié)能，如通過模仿自然界中的能量轉換和利用機制，提高能源的利用效率。二、仿生功能材料的特征第二節(jié)仿生功能材料的定義與特征仿生功能材料是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要基石，它們的多功能性和高技術性使得它們在眾多領域中發(fā)揮著關鍵作用。仿生功能材料未來的發(fā)展趨勢包括高性能化，開發(fā)具有更高性能的仿生功能材料，來滿足更嚴格的應用需求；多功能集成，將多種功能集成到單一材料中，實現(xiàn)更復雜的應用；環(huán)境友好，開發(fā)對環(huán)境影響小、可回收利用的仿生功能材料；智能化，研究具有自我感知和自我調節(jié)能力的智能系統(tǒng)。隨著研究的深入和技術的進步，仿生功能材料的應用領域將不斷拓展，仿生功能材料性能也將進一步得到提升，為人類社會發(fā)展做出更大的貢獻。仿生功能材料授課教師22第二章仿生力學材料第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)

仿生黏附材料仿生摩擦材料第四節(jié)仿生抗沖擊材料仿生功能材料第五節(jié)其他仿生力學材料仿生浸潤材料第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料天然生物材料種類繁多，具有復雜巧妙的組織結構和優(yōu)異的力學性能。針對天然生物材料的結構和性能進行仿生設計，獲得滿足某些特定服役環(huán)境要求的工程材料，是目前材料研究中的熱點之一。理論研究，本章內容介紹表面科學基礎理論，展示了仿生浸潤材料、仿生黏附材料的特點和應用。同時，本章針對材料強韌性的仿生設計策略進行系統(tǒng)描述，展示了仿生摩擦材料和仿生抗沖擊材料的特點與應用。導語一、界面浸潤基礎理論（一）基礎術語第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料接觸角（θ）：固體表面潤濕性定性分析的關鍵指標之一，指固、液、氣三相交界處的固液界面與氣液界面之間的夾角（如圖1a）。接觸角滯后：前進接觸角和后退接觸角之差，可用于識別固體表面的粗糙度和不均勻性?；瑒咏牵和ㄟ^傾斜液滴表面直至其開始滑動來獲得。表面能和表面張力：常用于表征材料的潤濕性。圖1潤濕性基礎理論及模型（a）接觸角示意圖一、界面浸潤基礎理論（二）潤濕模型第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料經(jīng)典的液體潤濕理論模型通常包括光滑固體表面的Young’s模型（圖1a）、粗糙表面的Wenzel模型（圖1b）和非均勻表面上的Cassie-Baxter模型（圖1c）。圖1潤濕性基礎理論及模型（a）接觸角示意圖

（b）Wenzel模型

（c）Cassie-Baxter模型

一、界面浸潤基礎理論（二）潤濕模型第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料（1）Young’s模型1805年，Young建立了液滴在平整固體表面上的模型，即Young’s方程模型。液滴在光滑固體表面的接觸角，是固、液、氣界面之間表面張力達到平衡的結果，即液滴在平滑表面的靜態(tài)接觸角。由圖1a可知，接觸角與固、液、氣三相之間的相互表面張力作用有關。降低固體表面的自由能可增大接觸角，提高表面的疏水性。但實驗發(fā)現(xiàn)，Young’s模型的接觸角只能達到120°左右，與超疏水表面接觸角大于150°的規(guī)定不符，故Young’s模型只適應于光滑均勻的理想模型。圖1潤濕性基礎理論及模型（a）接觸角示意圖

一、界面浸潤基礎理論（二）潤濕模型第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料（2）Wenzel模型由于現(xiàn)實生活中不存在絕對光滑均勻的表面，故需要考慮表面結構的影響。在假設水滴能完全覆蓋粗糙表面凹槽的前提下，Wenzel對Young’s模型進行了修正，提出Wenzel模型。一般情況下，由于粗糙結構的作用，物體表面的實際面積會大于其投影面積，所以表面粗糙系數(shù)通常情況下大于1。當θ<90°時，物體表面粗糙度的增加會使接觸角變小，使表面親水性增強。當θ>90°時，物體表面粗糙度的增加會使接觸角變大，使表面疏水性增強。由圖2-1b所示，Wenzel模型是建立在液體完全與固體表面接觸的基礎上的，即處于固體表面潤濕狀態(tài)。圖1潤濕性基礎理論及模型（b）Wenzel模型

一、界面浸潤基礎理論（二）潤濕模型第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料（3）Cassie-Baxter模型Cassie模型認為粗糙表面與液體接觸界面為固、液、氣復合界面，對于某些粗糙表面而言，當疏水表面與液滴相互接觸時，粗糙表面的凹槽無法被液滴完全填充，這是因為空氣存儲在凹槽內，即液滴一部分接觸空氣，一部分接觸固體，固體表面粗糙結構的內部凹槽不會被浸潤（圖1c）。對于Cassie-Baxter模型，當θ＞90°時，對于一個粗糙的固體表面而言，增大界面粗糙度可以使實際接觸角明顯變大。當θ＜90°時，由于粗糙表面的凹槽中填充了氣體作為阻隔層，實際接觸角也會變大。當固、液的接觸面積越小，水滴下方存留的氣體越多，疏水性越好，當它無限趨近于0時，超疏水性能達到理想狀態(tài)。圖1潤濕性基礎理論及模型（c）Cassie-Baxter模型二、自然界超浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料荷葉是超疏水表面的典型代表。荷葉表面的微納結構在凹槽處有“氣墊”，能夠有效減少水滴與荷葉表面的接觸面積，從而抑制荷葉的潤濕性，并表現(xiàn)出超疏水自清潔現(xiàn)象?！昂扇~現(xiàn)象”代表了具有超低黏附力的Cassie-Baxter狀態(tài)的潤濕性。魚鱗表面則是超親水特性，其微納米結構內存在水層而非“氣墊”，能減少油滴接觸面積，實現(xiàn)水下超疏油性以防油污黏附（圖2）。圖2荷葉（a）荷葉的光學圖像；（b）荷葉的掃描電鏡圖像。圖2魚鱗（a）魚鱗的光學圖像；（b）魚鱗的掃描電鏡圖像；（c）放大的魚鱗掃描電鏡圖像，乳頭表面粗糙；（d）乳頭的掃描電鏡圖像，在乳頭上可以觀察到納米結構。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料智能響應浸潤界面是指潤濕性能夠在響應外部刺激進行可逆切換的特殊界面，其外部響應主要包括物理響應（溫度、光、電場、磁場、應力等）和化學響應（pH、離子、溶劑等）。本節(jié)將討論智能響應浸潤界面在不同刺激下的各種響應機制。（一）溫度響應浸潤界面溫度響應性界面可以對外部溫度的變化實現(xiàn)快速響應，進而控制潤濕性轉變。在過去幾年中，通過接枝溫度敏感聚合物，如聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）、聚（2-異丙基-2-惡唑啉）、聚（乙烯基甲基醚）和聚（2-（二甲氨基）-甲基丙烯酸乙酯（PDMAEMA）等，分別在高于或低于其下臨界溶液溫度的溫度下表現(xiàn)出狀態(tài)轉換。通過接枝溫度敏感聚合物（如PNIPAAm，臨界溶液溫度約32-33℃），溫度低于臨界值時表面超親水，高于時分子鏈坍塌，表現(xiàn)出疏水性。應用：熱響應PNIPAAm改性尼龍膜可切換潤濕性，分離油水乳液。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料眾所周知，光的控制具有快速接觸、高分辨率和遠程控制等特點，因此通過光響應觸發(fā)表面潤濕性的變化引起了廣泛的關注。光響應浸潤材料表面的活性分子會發(fā)生化學成分、化學構型或極性等可逆變化，從而引起表面自由能的變化，導致潤濕性的可逆變化。（二）光響應浸潤界面以TiO2為例，對其潤濕轉變機理和制備方法進行簡要說明。在紫外線照射下，TiO2的電子會從價帶激發(fā)到導帶，產(chǎn)生光誘導的電子-空穴對，導致Ti?O鍵斷裂，形成氧空位，從而增強羥基和一些共存分子水的吸附，從而呈現(xiàn)出超親水狀態(tài)（如圖3a所示）。如圖3b所示，通過簡單的陽極氧化和加熱過程在Ti片上制備了TiO2納米管陣列，通過UV照射和加熱處理的交替，可以實現(xiàn)油下超親水性和油下超疏水性之間的可逆轉變；圖3光響應浸潤界面。（a）銳鈦礦TiO2（004）小平面晶體結構在紫外線照射和加熱下的變化示意圖；（b）飛秒激光燒蝕Ti表面。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料如圖3c所示，通過飛秒激光燒蝕在Ti基底上制備規(guī)則的微/納米級分級粗糙TiO2結構，首次通過交替紫外照射和暗存儲實現(xiàn)了可切換的水下超疏油性-超親油性；不同的是，如圖3d所示，通過超聲波輔助浸涂，使用接枝TiO2納米粒子和十八烷酸制備了智能且堅固的海綿，在紫外照射和加熱下實現(xiàn)了智能可切換的超潤濕性和有效的油水分離性能。（二）光響應浸潤界面圖3光響應浸潤界面。（c）、用TiO2納米顆粒改性的海綿；（d）以及在紫外線照射和黑暗環(huán)境或熱處理下的可逆潤濕性制備的TiO2納米管陣列的SEM圖像三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料除了無機化合物外，由于光異構化誘導的可逆構象轉換和/或偶極矩變化，一些有機分子也具有光響應潤濕性的特征（響應和恢復時間更短）。例如，具有優(yōu)異反式-順式異構性質的偶氮苯化合物（如圖3e所示），在紫外線和可見光的照射下，容易引起表面極性的轉變，從而實現(xiàn)表面潤濕性的調節(jié)；通過在聚多巴胺（PDA）預處理的多孔網(wǎng)上修飾納米銀松針和氨基偶氮苯制備了具有從高疏水性到超親水性的可逆光響應潤濕性的功能表面。潤濕性轉變歸因于氨基偶氮苯中親水基團（Ag）和疏水苯環(huán)的交替暴露。在紫外線照射下，氨基偶氮苯的N=N鍵斷裂并旋轉，導致分子直立的反式異構化轉化為分子躺著的順式異構化，并暴露出親水性銀納米針。在可見光照射下，分子構象轉變?yōu)榉词?，初始的高度疏水性再次恢復，顯示出可逆潤濕性的轉變。（二）光響應浸潤界面圖3光響應浸潤界面（e）光響應有機分子的構象轉換機制和WCA/OCA在改性銅網(wǎng)上的潤濕性變化。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料電場刺激具有超快響應性和方便控制的特性，在表面潤濕性智能轉變方面具有強大的潛力。如圖4a所示，通過改變導電聚合物的氧化還原性質，制備具有電響應性可在親水性和超疏水性之間切換潤濕性的超疏水性聚噻吩薄膜。如圖4b所示，在銅電極上電沉積錫層，通過電化學原子交替，獲得了具有水下超親水性和超疏油性之間原位可逆超潤濕轉變的銅/錫體系。（三）電響應浸潤界面圖4電響應浸潤界面（a）蛋白質和細菌在未摻雜（橙色膜）和摻雜（綠色膜）膠體模板聚噻吩膜上的黏附性和潤濕性；（b）通過電化學原子交替，水下超親水性和超疏油性之間的原位可逆超潤濕轉變。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料直接將電場施加到液體和導電基底上也可獲得可切換的潤濕性表面。如圖4c所示，在22V電壓下納米結構表面從超疏水狀態(tài)轉變?yōu)閹缀跬耆珴櫇?，展現(xiàn)出良好的動態(tài)電潤濕行為。這種變化依賴于施加的電壓和液體表面張力導致納米結構層中的液體滲透。（三）電響應浸潤界面圖4電響應浸潤界面。（c）在液滴和基底之間施加電壓，納米結構基底上的不同潤濕狀態(tài)。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料磁響應過程具有操作方便、能耗低、安全、響應速度快等優(yōu)點。磁場驅動的可逆潤濕性可以通過嵌入磁性顆?；虼判粤黧w來動態(tài)控制表面特征。磁感應機制主要歸因于表面微觀結構的變化。例如，將噴涂與磁場定向自組裝相結合制造具有磁流變彈性體微柱（MREMP）密集陣列是一種常見的磁響應浸潤界面。如圖5a所示，通過調節(jié)磁場，MREMP的微觀結構從塌陷狀態(tài)轉變?yōu)橥耆绷⑽恢茫瑢е卤砻骛じ搅母唣じ綘顟B(tài)變?yōu)榈宛じ綘顟B(tài)；如圖5b所示，依靠柱內磁性納米粒子的分布設計驅動磁性微柱陣列，可以通過改變磁場梯度的強度和方向來傾斜、扭曲和旋轉。同時，由于圖案幾何形狀的磁感應變化，水滴在表面上的滾動角度表現(xiàn)出磁方向依賴的潤濕變化。（四）磁響應浸潤界面圖5磁響應浸潤界面。（a）在磁場的開/關切換下，MREMP的形態(tài)誘導的可切換潤濕性和黏附性；（b）微柱在具有磁梯度的相反方向上的運動。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料與上述刺激相比，機械應力誘導表面潤濕性轉變的具有快速、顯著、連續(xù)、環(huán)境友好的特點。表面潤濕性的調節(jié)機制與磁誘導轉變相同，即通過操縱微觀結構來實現(xiàn)潤濕性的可逆調控。近年來，形狀記憶聚合物（SMP）作為一種智能材料，在受到外部刺激變形后可以恢復其原始形狀。如圖6a所示，在外力作用下，環(huán)氧SMP的表面微觀結構塌陷，表現(xiàn)出高黏附力。然而，熱處理可以利用形狀記憶特性使表面微觀結構和黏附性能恢復到初始狀態(tài)，從而實現(xiàn)水滴在表面低黏附力和高黏附力之間的可逆轉換。此外，在有無微槽結構的條件下，通過交替的機械應力和熱處理，也實現(xiàn)了荷葉狀隨機態(tài)和稻葉狀一維有序態(tài)之間的轉變，導致各向同性和各向異性潤濕之間的可逆切換。（五）機械應力響應浸潤界面圖6機械響應浸潤界面。（a）一種基于形狀記憶聚合物的可控潤濕表面。通過模板熱壓的方法，表面的潤濕性能夠在“荷葉”狀態(tài)和“水稻葉”狀態(tài)之間可逆切換。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料由于pH是調節(jié)環(huán)境響應信號最常見和最容易的刺激之一，pH響應物質如今已被應用于藥物輸送、分離和生物傳感器等各個領域。如圖7所示，在PAAO膜上制備了具有防污和pH響應型油潤濕性特征的智能表面，在酸性水中浸泡時，外側鏈質子化并暴露，產(chǎn)生親水性和超疏油性。然而，膜在進入中性水中并干燥的同時，迅速轉變?yōu)槌跏嫉某H油性。與酸誘導的溶脹吡啶基團相反，羧酸基團是一種堿誘導的溶脹基團，具有類似的pH誘導的潤濕性。當pH低于（或高于）其pKa（約5-6）時，羧基將被質子化（或去質子化），從而產(chǎn)生疏水性（或親水性）。（六）酸堿度響應浸潤界面圖7酸誘導的溶脹吡啶基團，PS-b-P4VP接枝PAAO膜在酸性水溶液中可切換油潤濕性的示意圖。三、智能響應浸潤界面第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料離子響應浸潤界面為智能潤濕表面的設計開辟了一條嶄新的道路，其潤濕性調控機理是由陽離子或陰離子電解質及其絡合物之間的離子對相互作用引起的?；诳赡婵购怆x子交換的特性，采用了一系列由帶有季銨化部分的胺或氮雜環(huán)組成的材料，如聚吡咯、季胺聚合物、離子液體基聚合物或硫醇季銨分子等用于控制潤濕性。例如，通過自組裝方法在硅片上制備的具有自組裝單層的粗糙結構金表面，就是由帶正電荷的季銨基團和脂肪族尾部帶有末端硫醇官能團組成。這項工作首先通過抗衡離子從氯離子交換到全氟辛酸離子實現(xiàn)了超親水和超疏水狀態(tài)的可切換潤濕性。結合抗衡離子交換動力學，潤濕性的變化歸因于四元銨基和全氟辛酸抗衡離子之間的長水合過程和強電子-離子配對。（七）

離子響應浸潤界面四、仿生浸潤材料的應用第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料油水分離技術應用廣泛，核心目的是去除水中油分或從油中分離水，以實現(xiàn)環(huán)保、安全、節(jié)能及提升產(chǎn)品質量，是諸多行業(yè)廢水處理的關鍵環(huán)節(jié)。?在石油天然氣開采中，其可從開采流體中分離原油與水，提高原油純度和回收率；海洋石油泄漏事故里，能快速分離海水中的石油，減輕海洋生態(tài)破壞。水處理領域，可去除飲用水與工業(yè)用水中的油分，保障水質安全；船舶及海洋工程中，處理船舶含油廢水，助力其符合國際海事組織（IMO）排放標準。食品加工行業(yè)借助該技術去除食用油水分，提升油品質量與保質期；機械及金屬加工領域則用于處理含油冷卻液、切削液，實現(xiàn)液體回收再利用。?近年來，仿生浸潤材料已投入油水分離應用，涵蓋膜基分離材料、多孔海綿基吸收材料、金屬/共價有機骨架網(wǎng)格、多孔碳材料、織物及涂料等。相較而言，通過外部激勵可切換潤濕性的智能材料，更適用于復雜環(huán)境及高通量、高選擇性混合溶劑的處理，為油水混合物的按需、高效、節(jié)能分離提供了有利條件。（一）

油水分離四、仿生浸潤材料的應用第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料集水過程涉及一系列物理變化，包括液滴聚集、液滴傳輸和液滴脫落。高效集水接口的制作需要注意以下三點。首先，盡可能光滑和疏水的表面結構有助于液滴脫落。其次，特殊的微觀結構有利于液滴的傳輸。第三，降低地表水的蒸發(fā)速度，可以提高集水效率。大量研究結果表明，疏水表面可以加速液滴脫落，親水表面有利于液滴傳輸。因此，構建交替的親水和疏水表面可以顯著提高集水效率，提高水資源的利用效率，緩解水資源短缺問題，以及促進水資源的可持續(xù)管理。沙漠甲蟲背部的親水凸包有助于液滴聚集，而疏水性凹陷有助于液滴運輸。仙人掌因其表面特殊的錐形刺而非常適合收集水。與仙人掌的錐形刺類似，蜘蛛絲上的紡錘體結構具有定向集水能力?；谥┲虢z的定向集水機制，人們提出了許多模擬蜘蛛絲集水材料的制造方法。（二）集水四、仿生浸潤材料的應用第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料結冰雖是自然現(xiàn)象，但不必要的表面結冰易引發(fā)嚴重事故與災難，因此防冰在生產(chǎn)實踐中至關重要。具有仿生超潤濕特性的表面具備優(yōu)異防冰性能，其核心機制有三：一是水滴易通過輕微傾斜、反彈脫離表面，降低液態(tài)水含量；二是延長水滴凍結時間，減少凍結概率；三是降低冰的黏附強度，冰層可自發(fā)脫落。?不過，極端環(huán)境下超疏水表面防冰性能易喪失，表面會迅速被冰覆蓋。為避免失效，可借助外部能量提升表面溫度，減少冰晶與微結構的機械咬合，現(xiàn)有技術主要分為光熱與電熱超疏水防冰表面兩類。?光熱超疏水防冰技術通過將光能轉化為熱能融冰或防結冰，材料的光熱轉換效應與超疏水特性結合，能進一步提升除冰性能。電熱超疏水表面含導電材料，借電阻熱效應產(chǎn)熱升溫，按導電材料分為兩類：以石墨烯等非金屬為導電材料時，需額外配備電極，即非金屬電熱超疏水表面；以金屬為導電材料時，可直接用導電顆粒形成電極，即金屬電熱超疏水表面。但這類表面需額外供電，結構復雜且材料昂貴，僅用于特種設備與精密儀器。?（三）防冰四、仿生浸潤材料的應用第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料鋁、銅、鎂和鋼等金屬的腐蝕會浪費自然資源并降低基礎設施的性能。提高這些金屬的耐腐蝕性是超疏水材料的一個重要應用方面。高疏水性確保了材料表面與腐蝕性介質接觸面積顯著減小。因此，疏水涂層可以提供額外的腐蝕過程延遲，特別是在與電解質接觸的初始階段或暴露于干濕循環(huán)的情況下。通過一步陽極氧化工藝，可以獲得超疏水鋁表面，其接觸角為171.9°，所得的超疏水表面表現(xiàn)出多孔表面和良好的耐腐蝕性。與鋁類似，在銅、鎂和鋼等金屬表面制造超疏水表面同樣可以達到良好的防腐效果。然而大多數(shù)超疏水表面相對脆弱，容易受到酸雨和有機污染物等室外環(huán)境的破壞，這嚴重影響了仿生防腐材料的應用。（四）防腐四、仿生浸潤材料的應用第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料表面潤濕除了對靜態(tài)潤濕的控制外，表面潤濕性轉變還可以通過液滴滑動特性，表現(xiàn)在動態(tài)潤濕性上?？删幊桃旱蝹鬏斖ǔＪ怯赏獠看碳は碌膭討B(tài)潤濕性變化引起的，表現(xiàn)出接觸角的差異和兩個方向的各向異性潤濕行為，可應用于各個領域。例如，基于無動力微藥物輸送的生物醫(yī)學、機械工程中的可控自潤滑傳輸、可控微流控系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)滴灌遠距離輸水等。受豬籠草和水稻葉片潤濕性的啟發(fā)，將光滑液體注入由規(guī)則微槽構成的表面，所形成的各向異性表面，具有定向液滴傳輸和集水能力。（五）可編程液滴運輸四、仿生浸潤材料的應用第一節(jié)仿生浸潤材料第二章仿生力學材料智能潤濕材料還可用于自清潔表面的構建。具有低附著力和強拒水性的超疏水表面可以利用水滴的滾動從表面去除顆粒以實現(xiàn)自清潔效果。對難用水去除的有機污染物，可以通過使用具有超親水表面的光催化材料（如TiO2、CuO、ZnO）進行清潔，這是因為光催化反應可以產(chǎn)生超氧化物陰離子和羥基自由基中間體，能夠將水中的有機污染物分解。（六）自清潔第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料生物黏附是指生物體能夠黏附在其他物體表面的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在自然界中非常普遍。例如，海洋生物黏附在海底巖石上，植物黏附在墻壁上等等。生物黏附根據(jù)其黏附機制通常可被分為兩類，即干黏附和濕黏附。生物黏附的機理涉及多個方面，包括物理吸附、化學鍵合、范德華力、靜電相互作用等。在自然界中，很多動物或植物使用不同的策略（或原理）在它們所棲息的自然環(huán)境中附著或攀爬，這些附著或攀爬策略依賴溫度、濕度等環(huán)境條件以及生物的重量、尺寸等物理特征。導語一、生物結構黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料眾多具有全空間附著能力的生物進化出了多種黏附功能結構，這些結構具有在各類表面上可控黏/脫附的能力。從海洋中的章魚、貽貝到陸地上的爬山虎、蒼蠅、蜘蛛、壁虎等，甚至是細胞尺度的冠狀病毒，這些生物的黏附功能單元，都具有微結構陣列的特征，黏附單元微結構末端的形態(tài)與黏附功能之間有著密切的相關性（圖8所示）。圖8自然界中生物附著單元具備的典型末端結構形貌（a）爬山虎的腳；（b）某種冠狀病毒的模擬圖；（c）章魚的腕足吸盤結構；（d）貽貝足絲的黏附示意；（e）蒼蠅的黏附纖維結構；（f）蜘蛛的黏附纖維結構。

一、生物結構黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料壁虎剛毛結構優(yōu)勢顯著：一是精細結構降低有效模量、提升柔順性，增強與基體接觸和黏附力；二是形成“接觸細化”，體重越大的動物末端結構越精細，蒼蠅、甲蟲也有此特性；三是對灰塵容忍性高，粗糙表面仍保強黏附。剛毛不垂直于支撐層，有傾斜角度，可降低有效彈性模量、提升接觸面適應性與抗疲勞度，還關聯(lián)爬行狀態(tài)。其黏附具各向異性，垂直負載難測黏附力，沿腳趾滑動后產(chǎn)生“剪切黏附力”，利于控制運動（圖9）。（一）壁虎腳掌干態(tài)黏附系統(tǒng)圖9壁虎黏附系統(tǒng)一、生物結構黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料樹蛙在干燥和潮濕表面都能獲得良好的黏附性能，甚至可以在柔軟的葉子上牢固地黏附、攀爬跳躍，這與樹蛙腳趾墊上的微結構息息相關。樹蛙的腳趾墊表層不是完全光滑的，表層具有多尺度的微觀結構（圖10）。腳趾墊由緊密排列的上皮細胞構成（約10μm寬），上皮細胞之間被約1μm的溝道隔開，上皮細胞的平均高度約為5μm。大多數(shù)的上皮細胞是六邊形的柱狀結構，約占上皮細胞的55%，而其余的細胞是四邊形、五邊形和七邊形。同時，多邊形的上皮細胞是由許多直徑300-500nm、高度200-300nm的納米柱陣列緊密排列形成，單個納米柱則由密集排列的角蛋白納米纖維束組成，并具有凹面結構。由于溝道和納米柱陣列的協(xié)同作用，因此不論接觸面光滑或粗糙，樹蛙都可以與接觸面緊密接觸，從而增強黏附力和摩擦力。（二）樹蛙的濕態(tài)黏附圖10樹蛙結構一、生物結構黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料自然界中，章魚能在水環(huán)境中借吸盤吸附物體表面，是此類動物的典型，其棲息于0-100米海里，水下超強黏附能力的秘密與其腕足微結構相關。章魚有八條靈活腕足，每條均有兩排肉質吸盤。單個吸盤分下部漏斗狀的吸盤外腔（I）和上部杯狀的吸盤內腔（A），內腔有凸起，表面覆蓋致密微絨毛（內腔凸起p），內外腔連接端口為孔口（o）。除內腔凸起外，吸盤由徑向（m）、周向（c）、經(jīng)向（r）三種肌肉纖維構成，分別遍布吸盤壁、呈同心圓狀分布于外腔表面、從近端區(qū)向外輻射，為章魚提供支撐與運動力量。（三）章魚的吸盤結構黏附圖11章魚觸角及結構示意圖（a）章魚；（b）吸盤結構示意圖。A部分為吸盤內腔，I部分為吸盤外腔，Aw為內腔壁，Ar為內腔頂，o為孔口，p為內腔凸起，nm為吸盤邊緣，m、c和r分別為徑向、周向和徑向肌肉纖維。一、生物結構黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料Tramacere等在Kier和Smith黏附理論的基礎上進一步完善，提出了一種更加符合章魚吸盤形態(tài)的黏附機制（圖12）。吸盤黏附分為四個階段。首先，吸盤外腔與基底接觸，形成密封區(qū)，該階段Pi=Pa=Pe。其次，內腔的徑向肌肉纖維收縮，使吸盤中的水產(chǎn)生張力，導致內部壓力降低，產(chǎn)生吸力，此時Pi=Pa<Pe。再次，內腔的經(jīng)向肌肉纖維收縮，使得內腔凸起與孔口表面接觸，孔口關閉。該階段Pi=Pa<Pe，但是吸盤內形成兩個室，一個位于內腔，一個位于外腔。最后，所有肌肉纖維（包括徑向和經(jīng)向）停止收縮，內腔凸起在彈力作用下與孔口表面分離（白色箭頭）。該彈力與外腔室包覆的水的內聚力（灰色箭頭）和內腔凸起表面的微絨毛產(chǎn)生的附著力（黑色箭頭）達到平衡，即使吸盤的肌肉纖維不收縮（不消耗能量），也能維持黏附狀態(tài)。（三）章魚的吸盤結構黏附圖12章魚吸盤的黏附機理圖（a）吸盤結構示意圖；（b）外吸附力；（c）內吸附力；（d）內壓縮力；（e）內部產(chǎn)生負壓力。二、生物材料黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料貽貝、藤壺等海洋生物能分泌膠粘劑，在礁石、船底等表面形成永久黏附，耐水性與耐用性極強，巨浪下仍可附著。這類濕潤環(huán)境下的生物膠粘劑多為多蛋白混合物，水環(huán)境合成且無毒環(huán)保。貽貝足腺分泌絲足，末端黏附盤附著基材，絲足主要成分為蛋白質。紫貽貝黏附蛋白是目前唯一商業(yè)化的此類蛋白，其黏附盤內至少有5種足絲蛋白，L-3,4-二羥基苯丙氨酸（多巴胺）含量不同，功能各異：Mefp-1包覆纖維，Mefp-2參與黏附盤形成，Mefp-4連接纖維與黏附盤，Mefp-3和Mefp-5（多巴胺含量分別27%、21%）分布于黏附盤與基底界面，主導黏附性（圖13（b））。圖13貽貝黏附蛋白（a）黏附在玻璃表面的貽貝及黏附絲足；（b）絲足與基底界面間的蛋白質。二、生物材料黏附第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料藤壺分泌的透明無黏性液體，經(jīng)毛細管作用滲入基材空隙后聚合為不透明膠塊，其水下強黏附不依賴多巴胺，而取決于蛋白質骨架構造、氨基酸組成及分子間非共價鍵作用，且不溶于水、鹽、稀酸、稀堿等。目前藤壺膠中已確認的6種蛋白質分4類：六偏氨酸蛋白質、帶電富氨基酸蛋白質、疏水蛋白質和酶。其中，cp-100k與cp-52k可連接其他蛋白質形成強黏附骨架，影響膠的難溶性；少量cp-19k能吸附于多種材料表面并形成穩(wěn)定黏附層；cp-20k含較多半胱氨酸與帶電氨基酸，黏附層中半胱氨酸殘基為分子內二硫鍵，蛋白質分子間靠非共價鍵結合。圖14藤壺分泌的膠粘劑，藤壺粘接在基底表面，藤壺膠中的蛋白質。三、仿生黏附材料的應用第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料干黏附是一種基于范德華力的附著效應，研究人員模仿壁虎腳掌剛毛的微納結構研制出了多種黏附墊（圖15），并將其應用于腿式、輪式及履帶式攀爬機器人和機械爪中，實現(xiàn)了在光滑表面的可靠高效附著。濕黏附是一種基于毛細力和斯蒂芬黏滯力的附著效應，通過模仿樹蛙、昆蟲等動物的黏附墊結構，仿生黏附墊實現(xiàn)了在濕滑表面的附著，可應用于攀爬機器人、軟體機器人與可穿戴裝備中。除上述微觀機理外，生物還可通過鉤掛、互鎖、夾持等宏觀方式產(chǎn)生附著力，稱為機械力黏附。機器人使用仿生鉤爪和手爪可有效附著在巖石、樹木等粗糙表面。一些動物還可通過肌肉驅動且具有特殊表面結構的吸盤，與被附著面產(chǎn)生環(huán)境壓差附著。研究人員成功研制了仿鮣魚、章魚、吸盤魚等吸盤，實現(xiàn)了跨介質附著，提高了人工吸盤的表面適應性與密封能力。圖15干/濕可逆納米復合粘膠的制備三、仿生黏附材料的應用第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料針對手術夾鉗和可穿戴傳感生/機表面的濕滑脫問題，根據(jù)樹蛙腳掌利用其微納多級結構形成的獨特界面液膜調控行為，引入仿樹蛙腳掌強濕摩擦機制，通過生/機界面間形成的納米液膜來增強毛細吸附作用，達到了無外壓力下產(chǎn)生強濕邊界摩擦的效果。結果表明可以有效增強夾鉗在低夾持力下的摩擦力并減小組織變形量，降低組織損傷率，增強可穿戴傳感表面對皮膚汗液承受性能，提高傳感精準度（圖16）。為濕滑表界面增大摩擦力提供了一種新的方案，為實現(xiàn)精準醫(yī)療、可穿戴傳感等領域的濕增摩擦力提供了新思路和新方法。圖16濕黏附仿生表面應用三、仿生黏附材料的應用第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料膠粘劑在現(xiàn)代應用中至關重要，人們對其環(huán)保性的關注日益提升，而傳統(tǒng)水性膠粘劑因制造工藝問題常引發(fā)環(huán)境問題。無溶劑蝸牛啟發(fā)黏合劑（SFA），以生物聚合物凝聚物模擬蝸牛黏液，用陽離子?-聚-L-賴氨酸（?-PLL）和陰離子聚谷氨酸（γ-PGA）為單元經(jīng)物理交聯(lián)制成，在不同基材上黏合強度高。其在陶瓷上黏合強度達28MPa，可實現(xiàn)搭接剪切（膠合面積3cm2）和拉伸強度黏合（膠合面積1.5cm2），能承受75kg男性重量。SFA在-150-300°C寬溫域內黏合性能強，且可重復使用不影響性能，還能用無毒堿性溶液輕松去除，為開發(fā)可再生材料高性能黏合劑提供理論基礎，適用于工業(yè)、遺物修復及航天器加工等領域。圖17以蝸牛為靈感的可持續(xù)有機無溶劑膠粘劑（SFA）三、仿生黏附材料的應用第二節(jié)仿生黏附材料第二章仿生力學材料相比之下，植物體系中的黏附行為研究則屈指可數(shù)，對應的仿生學探索更是少之又少。但是，植物體系的黏附行為以及仿生制造研究也是不可或缺的，而且意義非凡。仿生學產(chǎn)品-維可牢（Velcro）尼龍搭扣的廣泛使用就是最佳證明（圖18）。受黏附在褲腳和寵物狗身上的植物牛蒡子果實啟發(fā)所制備的一種鉤環(huán)粘扣件（圖18），現(xiàn)已成功應用在生活的各個方面，諸如服裝、運動鞋等，而且在醫(yī)療、軍事、航空等領域也有著特別的用途。圖18受植物啟發(fā)的維可牢粘扣件及其應用（a）植物牛蒡子果實；（b）鉤環(huán)粘扣件；（c）鉤環(huán)粘扣件在航空手套中的應用；（d）鉤環(huán)粘扣件在宇航服中的應用。一、仿生耐磨材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料不同種類貝殼的珍珠母晶片厚度為0.3-1.5μm不等；同種貝殼的珍珠母，晶片厚度則是基本一致。晶片的形狀呈小平板狀，大多為六邊形，如圖19（c）所示，板面與貝殼殼面平行，板面徑長約為5-8μm。各晶片相互堆砌鑲嵌、成層排列，相鄰層間的晶片邊界線互相錯開，形成一個相互重疊的中心區(qū)域和一個重疊區(qū)域，如圖19（d）所示，根據(jù)晶片的不同排列方式，珍珠母可分為柱狀和片狀兩種，柱狀珍珠母的結構中文石晶片排列較為有序，每相鄰兩層的文石晶片端部的錯開距離基本保持一致，故從側面（橫截面）看上去各層晶片邊界連接成柱狀；片狀珍珠母的結構中晶片的排列則顯得無序一些。圖19貝殼微觀結構。（a）磚層結構；（b）實物圖；（c）顯微鏡結構圖（d）分格圖；（e）核心區(qū)域（一）仿貝殼耐磨材料一、仿生耐磨材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料穿山甲鱗片典型的雙向等強度的板殼結構，有一定的回彈能力，既堅固耐磨，又利于減粘脫土。穿山甲鱗片表面呈現(xiàn)出縱向棱紋與橫向凹槽交錯變化的非等格幾何網(wǎng)狀形態(tài)。穿山甲鱗片由極細的棱柱結構單元和疊片結構單元混合形成，蛋白組成主要為α-角蛋白和β-角蛋白。在干摩擦磨損條件下，由于起始磨屑黏附于對摩物而形成鱗片-鱗片接觸面，從而有利于減小摩擦系數(shù)并進入穩(wěn)定的磨損階段。穿山甲鱗片磨損速率是載荷和滑動速度的函數(shù)，當載荷較小時，磨損速率迅速增大；而當載荷超過50N或70N時，磨損速率開始逐漸降低；且高速下的磨損速率顯著大于低速下的磨損速率。自由式磨料磨損條件下，穿山甲鱗片具有顯著的摩擦磨損各向異性特征。當磨料平行于棱紋方向（縱向）滑動時，棱紋上接觸應力分布均勻，磨料既不發(fā)生滾動效應也不發(fā)生引導效應，從而使鱗片表現(xiàn)出較強的耐磨性；但當磨料滑動方向與棱紋垂直（橫向）時，在棱紋迎砂面具有更高的接觸應力，從而導致更為嚴重的磨損。（二）仿穿山甲鱗片耐磨材料一、仿生耐磨材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料植物摩擦磨損研究目前主要聚焦竹材這一優(yōu)良天然生物復合材料。竹子以維管束纖維為強化組織、薄壁細胞為基本組織，經(jīng)自然進化和生物自組裝，沿竹壁層形成多尺度多層次梯度結構（圖20）。毫米尺度上，有維管束功能梯度結構，其體積分數(shù)從外向內減小；微觀尺度上，維管束纖維與薄壁細胞構成兩相復合結構；納米尺度上，木質素和半纖維素為基質、纖維素為增強相。木質素能連接纖維素、吸收沖擊能量、抑制裂紋擴展。竹竿纖維體積分數(shù)徑向由外向內減小，竹原纖維按取向以同心圓交替組成：寬層取向角3°-10°，薄層30°-90°（多為30°-45°），這是其高耐磨性和優(yōu)良機械強度的主因。竹青部分的拉伸強度、楊氏模量等性能最高，沿厚度方向遞減；因表層纖維密度高且硬度高于基體，竹材表層耐磨性最高，可與工程合金媲美。圖20竹材圖片（a）電鏡圖；（b）細胞壁結構圖；（c）梯度變化；（d）斷裂示意圖。（三）仿竹材耐磨材料一、仿生耐磨材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料研究揭示，新疆巖蜥體表抗沖蝕特性源于鱗片間凹槽形態(tài)、皮膚多層結構與梯度材料的耦合作用。變色沙蜥的良好抗沖蝕性，關鍵在于材料耦元的剛性強化和柔性吸收機制：鱗片受沖擊時，角皮層與皮下結締組織吸收法向分力，鱗片間柔性連接分散吸收切向分力，大幅降低沖蝕磨損。沙漠蝎子的抗沖蝕功能，同樣是多因素耦合的結果：背板表面凹槽和凸包為形態(tài)耦元；具收縮性的背板連接膜、背腹板連接側膜為柔性耦元；體表硬質相（角質層、角皮層）與軟質相（中層、結締組織層）構成的梯度材料為材料耦元，其中硬質相減少切削犁削，軟質相吸收沙粒沖蝕能量，助力抗沖蝕磨損。圖21新疆巖蜥皮膚（a）頭部表面形態(tài)；（b）皮膚切片（四）仿其他仿生耐磨材料一、仿生耐磨材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料經(jīng)過沖蝕磨損對比試驗，根據(jù)沙漠蜥蜴的抗沖蝕磨損耦合機制設計加工的單元仿生樣件和耦合仿生樣件（圖22），可以得出溝槽形態(tài)仿生樣件的抗沖蝕性提高約20%，殼復合結構仿生樣件的抗沖蝕性提高約10%，而形態(tài)-材料耦合仿生樣件的抗沖蝕性能最多可提高約39%，說明耦合仿生樣件具有比單元仿生樣件更好的抗沖蝕效果。圖22基于沙漠蜥蜴體表特性的單元仿生樣件與耦合仿生樣件（a）溝槽形態(tài)仿生樣件；（b）殼復合結構仿生樣件；（c）球缺形態(tài)-材料耦合樣件；（d）菱柱形態(tài)-材料耦合樣件；（e）梯臺形態(tài)-材料耦合樣件（四）仿其他仿生耐磨材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料當流體在真實環(huán)境中流過一個物體時，根據(jù)不同的情況可能會產(chǎn)生許多類型的阻力，如摩擦阻力、形狀阻力（壓差阻力）、誘導阻力、波動阻力和干涉阻力等，其中摩擦阻力和形狀阻力是最常見也是影響最大的兩類阻力，目前的減阻技術主要研究如何降低這兩類阻力的負面影響。對于形狀阻力，自然界中的生物一般是盡可能地使自身形態(tài)呈流線型，這樣可以大大減少壓差阻力。對于摩擦阻力，不同的生物采用了不同的策略，其中最典型三類分別為：海豚，可以利用其光滑柔性表面的黏彈特性形成順服表面，從而延緩表面流體的轉捩，實現(xiàn)高效的游動；鯊魚，表面具有精細的三維齒狀結構，可以有效地調控近壁面的湍流結構，從而實現(xiàn)高速的游動；荷葉，可以在表面形成一層氣墊，從而導致水滴在荷葉表面的摩擦阻力減小。經(jīng)過近幾十年的研究，這三種策略已經(jīng)逐漸發(fā)展成為減阻技術中最重要的三大分支，即行波減阻、微結構減阻和超疏水減阻。二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料順服表面是指在水流的沖擊下會被動發(fā)生形變的柔性表面。順服表面可以更好地適應水流流過，使水流中引起轉捩發(fā)生的不穩(wěn)定波變弱，進而推遲層流在表面的轉捩，導致層流區(qū)域在表面變長，從而實現(xiàn)減阻。順服表面是最早啟發(fā)學者開始研究其減阻性能的，即海豚表面。海豚表面非常光滑，平均粗糙度僅5.3μm左右。研究發(fā)現(xiàn)，海豚表皮下方有許多可以感受水壓的乳頭結構。被包裹在皮下組織的液體會隨著壓力的變化流出或流入細管，細管嵌入皮下組織導致皮膚上下收縮或腫脹，進而產(chǎn)生振動。這種受到湍流的壓力變化而被動地振動并導致行波在表皮上傳播，從而推遲表面流體轉捩進而減少摩擦阻力的情況被稱為順服表面減阻（圖23）。圖23海豚表面結構（a）海豚表面的形貌表征；（b）海豚表面內部的乳頭結構與遍布全身的褶皺。（一）海豚表面啟發(fā)的順服表面減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料順服表面與水流的相互作用對研究減阻機理至關重要，但其對水流非定常力響應差異大，難用統(tǒng)一模型解釋，目前有兩類理論模型。一類是表面型模型，不考慮垂直表面變量，認為產(chǎn)生負雷諾剪應力可減少湍流不穩(wěn)定，據(jù)此設計各向異性順服表面（圖24a），Carpenter還提出對應彈簧-平板-桿模型，桿偏角為0時即經(jīng)典Kramer模型（圖25b）。另一類是體積型模型，兼顧表面及垂直表面運動，認為表面是理想均勻黏彈性層，Duncan等基于Navier方程提出體積模型，后又發(fā)展出單層和雙層纖維復合的各向異性順服表面模型（圖24c）。圖24順服表面的減阻機理。（a）順服表面示意圖；（b）表面型減陰模型；（c）體積型減阻模型。圖25管狀結構示意圖及代表性生物材料系統(tǒng)（b）馬蹄壁；（一）海豚表面啟發(fā)的順服表面減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料非定常流體在順服表面的流動涉及兩種含波介質的相互作用，與剛性平面的區(qū)別，在于順服表面涉及失穩(wěn)模式的擴散。對于剛性平面和順服表面，Tollmien-Schlichting（TS）波是導致邊界層不穩(wěn)定從而轉捩的原因。除此之外，對于順服表面目前還有兩類不穩(wěn)定因素，即色散和行波顫振。通過對邊界層的雷諾剪切力的研究表明，壁面的柔性對擾動速度既有局部影響也有較長范圍的影響。盡管局部增加雷諾應力不利于穩(wěn)定，但是長程來看總體的雷諾剪切力會大大下降。由于雷諾應力產(chǎn)生的能量減少和向壁面?zhèn)鬟f的能量增加，柔度的增加對TS波具有穩(wěn)定作用。對于行波顫振，其產(chǎn)生的主要原因是壁面壓力脈動所產(chǎn)生的不可逆功。阻尼會起到不利的結果，當阻尼增大時，壁面的行波顫振會被色散作用取代。行波顫振的臨界速度小于色散的臨界速度，因此阻尼的增加更傾向于穩(wěn)定行波顫振，從而使得色散成為主要的不穩(wěn)定性。總之，TS波的抑制有利于減阻，行波顫振和色散則對減阻不利。（一）海豚表面啟發(fā)的順服表面減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料鯊魚表面的齒狀結構大小約為0.2-0.5mm，分為外層和內層，如圖26所示。外層由牙釉質組成，內層則是堅硬的骨骼結構。齒狀結構表面存在平行于水流方向的溝槽，溝槽高度約8μm，寬度約60μm。但這種齒狀結構不會隨著鯊魚的增長而變大，其大小主要取決于生長位置和鯊魚種類。研究結果表明，鯊魚皮確實可以減少阻力、提高游速和防污。由于鯊魚皮膚齒狀體結構復雜，難以大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員將鯊魚皮表面精細的三維結構，簡化成不同形狀的肋條結構。一般將含有溝槽的三維齒狀結構簡化成截面形狀為三角形（或V型）、梯形、圓形、等的二維肋條結構，再根據(jù)不同肋條結構的形狀和尺寸，在一定條件下獲得最佳的減阻能力。圖26仿生隔振機理概覽（二）鯊魚皮表面啟發(fā)的微結構減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料盡管早年關于肋條結構表面的減阻效果進行了許多研究與優(yōu)化，但是顯然人造肋條表面與真實的鯊魚皮還有很大的差距。這主要是因為，真實的鯊魚皮表面的齒狀結構是三維的（圖27），除了肋條之外，還可以在水流的作用下改變攻角，使得鯊魚皮可以更加適應水流。隨著3D打印技術的興起，鯊魚皮復雜的三維結構也得以完美地復制。目前，關于鯊魚皮簡化的二維肋條結構的減阻研究已經(jīng)比較全面，基本上可以實現(xiàn)8%左右的減阻效果，不過對于三維的齒狀結構的減阻機理研究還不夠，甚至出現(xiàn)很多矛盾的地方。圖27鯊魚皮的結構（a）鯊魚表面的齒狀結構；（b）齒狀結構的側視圖。（c）齒狀結構的三維模型；（d）二維肋條結構。（二）鯊魚皮表面啟發(fā)的微結構減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料鯊魚皮減阻機理針對二維肋條結構有兩種理論，如圖28所示。第一種理論是突出高度理論，突出高度是指高于黏性底層的高度。突出高度分又為兩種情況：當水流方向與肋條結構平行時，突出高度如圖28（c）上部所示，指從肋條頂端到溝槽底部黏性底層處的高度；當水流方向與肋條結構垂直時，由于溝槽內部會產(chǎn)生低流速的漩渦，相當于提高了黏性底層的高度，這種情況的突出高度如圖28（c）下部所示，這時縱向的突出高度與橫向的突出高度會有一個高度差，該高度差說明了水流更容易沿著肋條方向運動，很少發(fā)生橫向的運動，說明肋條結構可以將水流限制在肋條之間，減少了橫向運動的消耗，從而減少了阻力。另外，當流向渦的尺度比肋條的間距要大時，漩渦與肋條尖端的接觸面積很小，這也減少了與壁面的摩擦阻力。圖28鯊魚皮的減阻機理（c）突出高度理論（二）鯊魚皮表面啟發(fā)的微結構減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料第二種理論是二次渦理論。尺度較大的流向渦不會進入槽內，但是會有一些尺度較小的二次渦進入槽內，而這些停留在槽內的二次渦會對阻力產(chǎn)生影響。當肋條的寬度和深度適當時，溝槽底部會出現(xiàn)渦流，這些旋渦像軸承一樣不斷滾動，使其與壁面的摩擦阻力變成了動力，從而實現(xiàn)減阻，如圖29（b）所示。二次渦可以有效地削弱湍流動量的交換，減少流向渦射流和掃流事件的發(fā)生。同時，二次渦的存在會導致流體在流經(jīng)微結構表面時發(fā)生部分滑移?？傊邨l結構的存在可以阻礙流向渦的展向運動，并且肋條結構還會在流動方向上產(chǎn)生渦流，將高湍動能區(qū)域推離肋條表面，導致湍流動量傳遞和表面摩擦減小。圖29鯊魚皮的減阻機理（a）平板邊界層的發(fā)展過程；（b）二次渦理論。（二）鯊魚皮表面啟發(fā)的微結構減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料新型的非光滑表面減阻技術中，最典型的就是超疏水減阻。超疏水表面通常由經(jīng)過化學處理的疏水的微/納米尺度結構組成。疏水表面最普遍的區(qū)分方式是根據(jù)接觸角來定義，即當水與表面的接觸角大于150°，稱該表面為超疏水表面。關于超疏水減阻機理，目前普遍用有效滑移長度給予解釋。當超疏水表面處于水下時，在粗糙結構之間會捕獲空氣。與傳統(tǒng)的固-液界面無滑移的邊界條件不同，超疏水表面上的部分氣-液界面將導致有效滑移。當滑移長度與流體結構的特征尺寸相當時，可以出現(xiàn)減阻效果。根據(jù)Navier潤滑模型，潤滑長度A表示潤滑速度線性外推至0的虛擬表面與真實表面（y=0）之間的距離。在層流中，超疏水表面減阻主要與滑移長度和流動幾何形狀的特征長度有關，當滑移長度與流體幾何形狀的特征長度相當時，可以顯著減少表面摩擦阻力。（三）荷葉表面啟發(fā)的超疏水減阻材料二、仿生減阻材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料但是在湍流中，滑移長度不再是決定湍流減阻的唯一決定性因素，不僅涉及固體壁面的有效滑移，還涉及近壁面湍流結構的抑制，如圖30所示。因此，要想實現(xiàn)有效的超疏水減阻，有三個基本原則：表面微結構之間要有足夠的寬度，即產(chǎn)生盡可能大的滑移長度；微結構的高度要低，要小于流體的黏性尺度；最好有多級結構來幫助保持氣體和抵抗液體的浸潤。圖30滑移長度。（a）不同表現(xiàn)的滑移長度；（b）抑制近壁面湍流的結構。（三）荷葉表面啟發(fā)的超疏水減阻材料三、仿生潤滑材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料魚類體表黏液由皮膚杯狀細胞分泌，遇水形成黏液層，是保護屏障，能潤滑體表減阻，主要成分為多糖、蛋白質等親水物質，屬軟物質，柔性表面易顯低摩擦力。其減阻有兩觀點：一是黏液溶解衰減微湍流邊界層振動，魚鱗與黏液組成的波狀表皮控湍流，犧牲性減阻需黏液與鱗片高黏附力防流失；二是黏液中長鏈聚合物減小壓力梯度及摩擦。泥鰍體表黏液含透明質酸水溶液及少量蛋白質等，后者助透明質酸形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡，且易受外界影響致網(wǎng)絡結構變化，其穩(wěn)態(tài)剪切曲線分三區(qū)域，增比黏度與濃度呈特定關系，動態(tài)流變中儲能模量大于損耗模量且隨頻率變化小，顯彈性。鲇魚體表有親水大分子層，平靜時易抓，掙扎時因肌肉應激硬化，接觸點減少、摩擦力降低而易掙脫。受此啟發(fā)，研究人員制得模量自適應潤滑水凝膠，含表面聚電解質親水潤滑層與熱觸發(fā)相變底部水凝膠承載層。球-盤測試顯示，低溫時材料軟（模量約0.3MPa），摩擦系數(shù)大（約0.37）；加熱后承載層變硬（模量約120MPa），摩擦系數(shù)顯著降低（約0.027）。（一）仿魚黏液潤滑材料三、仿生潤滑材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料蚯蚓是體表具分泌液的土壤動物，受刺激或運動時從體腔分泌體表液，其含黏蛋白，99.71%為水，0.29%為固態(tài)物質（蛋白類占59%，但因含量少，整體為低黏性水溶液），能作界面滑動剪切層，起潤滑、減粘降阻作用。蚯蚓在粘濕土壤蠕動時，分泌適量體表液形成體表、體表液、土壤的三層潤滑界面，降低土壤對體表的黏附。其背孔噴射體表液，環(huán)節(jié)狀體表均勻分布液體，滲入土壤形成液體膜，蚯蚓借此保護運動。且體節(jié)運動呈變曲率弧形凸圓面，減小與土壤接觸面積，助液體膜進入摩擦面。此外，體表受刺激形成毫伏級電位（電滲現(xiàn)象），可改善潤滑膜分布與厚度，防土壤黏附磨損。圖31蚯蚓潤滑界面示意圖（二）仿蚯蚓體表液潤滑材料三、仿生潤滑材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料滑液是人體器官組織分泌物，主要起到潤滑器官和組織以及排毒的作用?；和ǔ０P節(jié)滑液、胃滑液、眼睛滑液、大腸滑液和胸、腹膜滑液等?；菏侨梭w器官中必不可少的一部分，如果關節(jié)滑液缺乏會導致關節(jié)僵硬、疼痛甚至變形腫脹，出現(xiàn)關節(jié)炎等關節(jié)疾病。如果胃滑液缺乏會導致胃酸過多，損傷胃黏膜。如果眼睛滑液缺乏則會使眼睛干澀、眼屎多、視物模糊等。大腸滑液的缺乏會導致便秘。胸、腹膜滑液的缺乏會使人感到胸悶、疲勞、腹脹、腹痛等癥狀。以人工關節(jié)為例，關節(jié)滑液中的生物大分子在剪切作用下會在軟骨表面組裝形成一層以透明質酸（HA）為主鏈，糖蛋白和纖維素為側鏈的多級“刷”型大分子，這種生物分子在溶液中具有一定的黏彈性，可以很容易地固定大量水分子達到潤滑的效果。受這一概念的啟發(fā)，近年來，通過表面接枝親水性聚合物刷以減小表面摩擦并改善材料表面水潤滑性能的研究得到研究者廣泛關注。（三）仿人體滑液潤滑材料三、仿生潤滑材料第三節(jié)仿生摩擦材料第二章仿生力學材料蝸牛黏液的主要成分與動物黏液一致，主導潤滑作用的仍是黏蛋白。對比各種軟體動物類（如蝸牛、蛤和章魚）的黏附機制，發(fā)現(xiàn)不同的表面粗糙度對蝸牛的黏附影響不大。這主要是由于黏液的存在，表面張力變化不大。但是，干濕狀態(tài)對蝸牛的黏附力影響較大。莼菜黏液與玻璃表面的摩擦系數(shù)可降至0.005，形成一種超潤滑狀態(tài)。這種黏液的超潤滑機理如圖32所示，黏液中的多糖分子構成納米片狀結構，在片狀結構間充滿水分子形成水化層，從而獲得超潤滑性能。圖32莼菜黏液超潤滑機理示意圖（a）第1階段；（b）第2階段。（4）其他滑液一、抗沖擊生物材料的特征與典型結構第四節(jié)仿生抗沖擊材料第二章仿生力學材料夾層結構是指兩層堅硬的材料被一層較軟的多孔層（芯層）隔開，形成輕質、堅硬、強韌和吸能的材料，適用于許多生物系統(tǒng)的高應變率和低應變率。夾層結構是分層結構中的一種類型。代表性的生物材料系統(tǒng)包括鳥類喙、骨、頭骨、龜殼、角、柚子皮、堅果和木材等（圖33）。堅硬的外表面可防止穿刺并抵抗反復的低應變率沖擊，而芯層可耗散能量并防止裂紋橋接兩個外層，使其防止在撞擊下發(fā)生災難性故障。（一）夾層結構圖33夾層結構示意圖及代表性生物材料系統(tǒng)（a）夾層結構示意圖；（b）柚子皮；（c）龜殼；（d）頭骨。一、抗沖擊生物材料的特征與典型結構第四節(jié)仿生抗沖擊材料第二章仿生力學材料分層結構層具有明顯的層界面，可作為裂紋消散器。貝殼珍珠層內部的剛柔材料呈“磚泥”層狀結構式分布，在沖擊載荷作用下通過層間片層滑移，延長裂紋擴展路徑，具有良好的自我強化效應和能量耗散機制（圖34b）。海螺殼的斷裂功可以達到珍珠層的9-10倍，原因在于其獨特的三層軟硬相交叉層狀結構，分層界面處可以有效地抑制產(chǎn)生裂紋的擴展，避免造成完全的破損（圖34c）。以魚鱗為代表的分層螺旋結構，可以使裂紋在擴展時產(chǎn)生路徑的扭曲，耗散能量，而甲殼類動物的趾肢，則運用分層螺旋-正弦結構，進一步提升了引起結構斷裂所需的能量，大幅提高了結構的損傷容限。