仿生材料领域涌现出的研究热点

自然界的生物体给人类带来了无尽的设计灵感。目前，仿生材料领域涌现出的诸多研究热点如下：

1.仿生定向输运材料

深入探究仙人掌、蜘蛛、纳米布甲虫等生物的集水方式（图1）1,2,3，将为全球范围的缺水问题带来潜在的解决方案。

图1 (a)黄毛掌掌刺结构示意图，（b）-(d) 蜘蛛丝定向集水过程示意图，（e）沙漠甲虫照片，甲虫身体亲水纹理（突出部分未染色）、疏水凹槽（蜡状染色）SEM图，凹陷区域的纹理表面SEM图 

近期对猪笼草的研究发现猪笼草口缘表面的多级沟槽结构能够加强并且优化该表面液体的持续定向运输，并防止其回流（图2a）。研究人员模拟了猪笼草口缘区表面结构，使用压印成形法成功复制了猪笼草口缘区的作用机制(图2b、图2c)，这种无外部动力的液体输运方式，对于开发设计新型定向流体输运系统具有很好的指导意义，并在农业滴灌、无动力的微药物传输、自润滑防粘设计等众多领域具有广阔的应用前景。

图2（a）猪笼草结构示意图，（b）-（c）仿猪笼草材料形貌9

2. 仿生超疏水材料

仿生超疏水自清洁表面被应用于包括太阳能、防雾抗冻、水油分离、自洁表面和智能设备等各个领域。荷叶、水稻叶、蝴蝶翅膀、水黾腿以及蚊子的复眼等都具有特殊的表面润湿性（图3），应用前景良好。

图3（a）荷叶表面水滴形貌及荷叶微观结构SEM图,（b）水稻叶表面水滴形貌及荷叶微观结构SEM图,（c）蝴蝶翅膀微观结构SEM图,（d）水黾腿微观结构SEM图,（e）蚊子复眼表面水滴形貌及荷叶微观结构SEM图

3 仿生高黏附材料

对仿壁虎脚（图4a）高黏附材料的研究方兴未艾，近日，韩国成均馆大学Pang教授等又提出了一种模仿章鱼腕足微观结构（图4b）具有超强粘附特性的“吸盘贴”。该吸盘在多种外界环境下都具有优异的粘附性，能够多次循环可逆使用，不会污染材料表面。

图4（a）壁虎脚掌及其微观结构17，（b）章鱼腕足吸盘结构示意图

4. 仿生轻质高强度材料

轻质（低密度）高强材料在建筑、航空航天、国防等领域都有重大的战略需求。由碳酸钙和壳聚糖两种成分规律性堆积而成的鲍鱼壳其表面兼具陶瓷质硬及高分子坚韧的性质。近日，用石墨烯代替鲍鱼壳中的碳酸钙成分制得了低密度、高力学性能的高分子-片状石墨烯复合材料。

5. 仿生智能薄膜材料

植物叶片的物质交换、生物核膜上物质的差异运输、肺中的气囊智能控制气体进出等过程都依赖于液态物质动态填充、具有自洁功能的多孔膜来实现。厦门大学侯旭老师以此为灵感提出一种基于微孔薄膜材料的仿生液体门控新机制（图5），能够在实现动态调控气液以及气－水－油多相混合物分离的同时兼具优异的抗污染性能，该机制在油水分离、污水处理、混合物除气、生物传感器等方面展现出重要的应用前景。

图5（a）传统多孔膜孔道内气液运输示意图，（b）液体门控多孔膜内气液运输示意图

效仿自然仅仅是第一步，仿生材料从实验阶段进入实际应用领域最终实现超越自然，这是我们科研工作者努力奋斗的目标。相信未来的十年中，仿生智能材料将会在生物医学、膜科学、食品工业、水处理、微流控、传感器、4D打印等诸多领域发挥至关重要的推动作用。