创造仿生材料：仿生学与可持续创新

几个世纪以来，人类一直在向大自然寻求灵感。从贝壳的复杂设计到蜘蛛丝的强度，自然界为解决复杂问题提供了丰富的巧妙解决方案。如今，这种迷恋正在推动材料科学和工程领域的一场革命，通过一种称为仿生学的过程，创造出受自然启发的材料。

什么是仿生学？

仿生学源于希腊词语“bios”（生命）和“mimesis”（模仿），是指从大自然的形态、过程和生态系统中学习，然后模仿，从而创造更具可持续性和效率的设计。它不仅仅是复制自然的审美；而是要理解潜在的原理并将其应用于解决人类面临的挑战。

可以把它想象成大自然 38 亿年的研发成果，现在我们可以使用了。仿生学并没有依赖于能源密集型和污染性的工业流程，而是寻求已被进化证明的优雅、高效和环境友好的解决方案。

为什么受自然启发的材料很重要

传统的材料行业通常依赖于不可持续的做法，导致污染、资源枯竭和气候变化。受自然启发的材料提供了一条通往更可持续未来的道路，通过：

• 减少环境影响：仿生学提倡闭环系统、废物最小化和使用可再生资源。
• 提高效率：自然的设计通常在能源和资源使用方面非常高效。
• 增强功能性：受自然启发的材料可以具有独特的特性，例如自愈、增强的粘附性和改善的结构完整性。
• 促进可持续性：通过学习大自然的适应和恢复策略，我们可以创造出更能应对环境挑战的材料和系统。

受自然启发的材料的例子

仿生学领域有许多鼓舞人心的例子，展示了受自然启发的材料在各个行业的潜力。以下是一些值得注意的案例：

1. 魔术贴：受毛刺启发

仿生学最著名的例子之一是魔术贴，由瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉尔于 1940 年代发明。在一次狩猎旅行回来后，德·梅斯特拉尔检查了粘在他狗的皮毛和衣服上的毛刺。在显微镜下，他发现毛刺上覆盖着微小的钩子，这些钩子钩住了织物上的环。这一观察结果促成了魔术贴的诞生，这是一种简单而有效的紧固系统，现在已在全球范围内使用。

2. 自清洁表面：荷叶效应

即使在泥泞的环境中，荷叶也具有保持清洁的卓越能力。这是由于其微米和纳米尺度的表面结构，这些结构创造了一个超疏水表面，可以排斥水和污垢。这种“荷叶效应”激发了自清洁涂料、纺织品和建筑材料的开发。 像 Sto SE & Co. KGaA (德国) 这样的公司已经开发出模仿荷叶表面的外墙涂料，以抵抗污垢和污染的堆积，从而降低维护成本并改善建筑物的美观度。

3. 强力粘合剂：壁虎的脚

壁虎可以毫不费力地攀爬墙壁和天花板，这要归功于它们脚上数百万根微小的毛发（刚毛），这些毛发与表面产生了强大的范德华力。科学家们一直在研究这种现象，以开发出坚固、可重复使用且不留下任何残留物的新型粘合剂。世界各地的研究团队，包括加州大学伯克利分校（美国）的研究团队，正在研究受壁虎启发的粘合剂，用于医学、机器人和制造领域。例如，这些粘合剂可用于制造对皮肤温和的手术胶带，或开发可以攀爬墙壁进行检查和维护的机器人。

4. 轻质且坚固的结构：蜂窝

蜂巢的蜂窝结构是一项工程奇迹。它非常轻便，但非常坚固，为储存蜂蜜和支撑蜂巢的重量提供了一种有效的方式。工程师们已将蜂窝结构应用于各种应用，包括飞机部件、汽车零件和建筑材料。例如，EconCore (比利时) 等公司生产用于运输和建筑行业的夹层板的蜂窝芯材。蜂窝结构提供了高强度重量比，从而降低了车辆的燃油消耗并提高了建筑物结构的性能。

5. 可持续包装：蘑菇包装

传统的包装材料，如聚苯乙烯泡沫塑料，通常不可生物降解，并导致环境污染。 蘑菇包装提供了一种可持续的替代方案。 它是通过在农业废料（如大麻或锯末）周围种植菌丝（蘑菇的根部结构）制成的。 菌丝将废料粘合在一起，形成一种坚固而轻质的材料，可以模制成各种形状。 一旦不再需要包装，就可以对其进行堆肥，将有价值的营养物质返回土壤。 Ecovative Design (美国) 等公司正在开发和商业化蘑菇包装解决方案，用于包括电子产品、家具和食品包装在内的各种行业。 这项技术减少了对石油基塑料的依赖，并促进了循环经济。

6. 降低阻力：鲨鱼皮

鲨鱼皮覆盖着称为齿状体的微小牙状结构，这些结构可减少阻力，并使鲨鱼能够高效地在水中游动。 这一原理已被应用于开发用于船只、飞机甚至泳衣的降阻表面。 Speedo (澳大利亚) 等公司与研究人员合作开发了模仿鲨鱼皮结构的泳衣，以减少阻力并提高游泳性能。 这些泳衣已被运动员用于打破游泳比赛的世界纪录。

7. 集水：纳米布沙漠甲虫

纳米布沙漠甲虫通过从雾中收集水来在干旱的纳米布沙漠中生存。 甲虫的背部覆盖着亲水性（吸水）和疏水性（排斥水）区域。 水凝结在亲水区域，然后向下滚动到甲虫的嘴里。 这种机制激发了雾水收集系统的开发，该系统可以在干旱地区提供清洁的饮用水。 包括摩洛哥和智利在内的世界各地的研究人员和组织正在实施基于纳米布沙漠甲虫策略的雾水收集项目，为缺水地区的社区提供可持续的水源。 这些项目涉及建造模仿甲虫背部的大型网，以从雾中收集水，为饮用和灌溉提供可靠的饮用水源。

创建受自然启发的材料的过程

创建受自然启发的材料通常涉及以下步骤：

1. 确定问题：定义需要解决的挑战。 这可以是任何事情，从提高材料的强度到减少其对环境的影响。
2. 生物学调查：研究和分析已经解决了类似问题的自然系统。 这包括研究相关生物体或自然现象的形态、过程和生态系统。
3. 抽象：提取支持自然解决方案的关键原理和机制。 此步骤涉及将生物学见解转化为工程原理。
4. 模仿：应用抽象原理来设计和创造新的材料或系统。 这可能涉及使用计算机建模、材料科学和工程技术来复制自然解决方案。
5. 评估：测试和评估新材料或系统的性能。 此步骤包括将其性能与现有解决方案进行比较，并确定需要改进的领域。

挑战与机遇

虽然受自然启发的材料的潜力是巨大的，但也有一些挑战需要克服：

• 复杂性：大自然的设计可能非常复杂，这使得完全理解和复制它们变得困难。
• 可扩展性：扩大受自然启发的材料的生产可能具有挑战性，需要新的制造流程和基础设施。
• 成本：生产受自然启发的材料的成本可能高于传统材料，至少最初是这样。
• 材料供应：以可持续的方式获取必要的原材料，尤其是生物基原材料，可能是一个挑战。

然而，机遇远远大于挑战。 随着技术的进步和我们对自然的理解加深，我们可以期待看到越来越多的受自然启发的材料进入市场。 这些材料有可能改变行业，减少我们的环境足迹，并创造更可持续的未来。

受自然启发的材料的未来

受自然启发的材料领域正在迅速发展，这得益于材料科学、纳米技术和生物技术的进步。 塑造该领域未来的一些关键趋势包括：

1. 纳米材料和纳米技术

纳米技术通过允许科学家在原子和分子水平上操纵物质，在创造受自然启发的材料方面发挥着关键作用。 这使得能够创造出具有定制特性的材料，例如增强的强度、导电性和反应性。 例如，研究人员正在使用纳米技术制造具有非凡强度和弹性的仿制蜘蛛丝，以及可以在纳米尺度修复损伤的自愈聚合物。

2. 先进的制造技术

先进的制造技术，如 3D 打印和生物制造，正在使创造受自然启发的复杂和错综复杂的结构成为可能。 3D 打印允许精确制造具有复杂几何形状的材料，而生物制造使用活细胞来创造功能性材料。 这些技术为创造具有前所未有的功能和性能的受自然启发的材料开辟了新的可能性。

3. 可持续和可再生资源

在使用可持续和可再生资源方面，在受自然启发的材料的开发中变得越来越重要。 研究人员正在探索使用生物基聚合物（如纤维素和甲壳素）作为新材料的构建块。 这些材料是可生物降解、可再生的，并且可以从农业废料中获取，从而减少我们对化石燃料的依赖。

4. 人工智能和机器学习

人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 正在被用于加速受自然启发的材料的发现和设计。 AI 和 ML 算法可以分析关于自然系统的大量数据，并识别可用于设计新材料的模式和原理。 这些技术还可用于优化受自然启发的材料的制造过程，从而降低成本并提高效率。

5. 跨学科合作

受自然启发的材料的开发需要生物学家、材料科学家、工程师和设计师之间的跨学科合作。 通过汇集来自不同领域的专业知识，我们可以更深入地了解自然系统，并将这些知识转化为创新材料和技术。

可操作的见解：如何参与

有兴趣探索受自然启发的材料的世界吗？ 以下是您可以采取的一些可操作步骤：

• 教育自己：阅读关于仿生学和自然启发设计的书籍、文章和研究论文。 像仿生学研究所这样的组织提供资源和培训计划。
• 参加研讨会和会议：参加专注于仿生学和可持续创新的研讨会和会议，向专家学习并与志同道合的人建立联系。
• 支持研发：投资于正在开发受自然启发的材料的公司和研究机构。
• 在您的工作中融入仿生学原理：无论您是设计师、工程师还是企业家，请考虑如何将仿生学原理应用于您的项目和产品。
• 推广可持续实践：倡导在您的社区和行业中采用可持续实践。

结论

受自然启发的材料在创造更可持续和更具韧性的未来方面拥有巨大的前景。 通过学习大自然的创造力，我们可以开发出不仅具有功能性和效率，而且对环境友好的创新材料。 随着该领域的不断发展，我们可以期待看到越来越多的受自然启发的解决方案改变行业并改善世界各地人民的生活。 受自然启发的材料的发现和创新之旅才刚刚开始，可能性是无限的。 拥抱仿生学不仅仅是创造新材料；而是要培养与自然世界的更深层联系，并认识到其深刻的智慧和潜力。