淺議仿生材料在產品設計中的應用

◎張 雨 周恩玉 王超群

（天津科技大學 天津 300457）

大千世界中的材料無所不包、無處不在，吃、穿、住、行，每個人每天會碰到諸如橡膠、金屬等材料。材料科學是當前最重要的高科技之一，是現代航天、能源、醫療、化工、建筑等行業技術的先導，而仿生材料是21世紀材料中最具潛力和希望的研究方向之一，備受人們關注。

一、什么是產品仿生設計

產品仿生設計是一門滿足人的需要、適應人體結構、為人類創造舒適環境的學科，且是以追求人與自然的和諧統一為目標。師法自然，正是人類設計創新的原點。德國著名的設計大師克拉尼曾說：“設計的基礎應來自于大自然的生命所呈現的真理之中。”這句話說明了人類就是在發現自然、探索自然的過程中獲取、創新設計靈感。通過幾十億年的進化歷程，許多天然生物體的某些部位巧奪天工，具有一些令我們難以想象的特性。通過大自然的優勝劣汰、自然選擇，存活下來的生物體其結構和性能都能更好地符合環境要求且達到更優化的水平。

從產品材料未來發展方向出發，要實現成分的結構仿生和功能仿生。從保護環境的角度考慮，如果能將仿生材料大量投入到產品設計中，可以做到減少資源浪費，緊跟可持續性發展戰略。從商業角度出發，可以降低成本，減少潛在的風險以提高競爭力。日常生活中的仿生產品，主要是仿植物或動物的一些造型，但這遠不能滿足現代生活的需要。以下將用兩個具體例證來闡述除造型以外的仿生設計。

二、仿生自愈合聚合物材料與陶瓷器具

原始陶器產生于一萬多年前的黃河和長江流域，宋代時瓷器藝術空前發展，地方窯系各具一格。從新石器時代的第一片陶出現開始，人類一直沒有停止對新材料的探索，材料是文明的具體物質形態的支撐。隨著科學技術的不斷發展，以自愈合材料為主的智能材料逐漸出現在人們的視野中。

自愈性也就是通常理解的，經過一段時間的自然恢復或者一段時間的治療，傷口可以漸漸愈合的現象，動植物一般都有這種自愈合能力。人手上的繭子就是微小損傷自行修復愈合的結果，我們身體內部分泌出的膠質對損傷的部位進行填充，慢慢就形成了硬度比較大的皮膚，即繭。要知道蠑螈甚至能在受傷之后由傷口處愈合并長出肉芽，逐漸恢復到原狀；海膽如果不小心扭傷脊椎，體內會產生一種由碳酸鈣分子包裹著的黏膠狀物質，填充到受傷處逐漸結晶硬化對脊椎進行修補。自愈合賦予了生物頑強的生命力，也激發了我們的興趣。如何讓我們的產品也具有這種自愈能力呢？如果能實現產品自愈合，那么就會大大提高產品的利用率，減少浪費。

陶瓷材料由于其機械強度高、耐磨性好、耐腐蝕性優良、熱穩定性高、絕緣性好等優點，已成為高溫領域的優選材料之一，常用在身邊的產品和裝飾品中。但是陶瓷在制作及使用過程中，必然要經歷干燥燒結機械加工的處理，常常會產生裂紋，大幅度降低韌性陶瓷的強度和可靠性[1]。這就造成陶瓷成品多多少少存在一些瑕疵，雖然對使用的影響不大，但會影響陶瓷工藝品的手感和美感。近幾十年來，國外研究人員就陶瓷裂紋方面進行了一系列的研究和探索，他們發現MgO、Al2O3等陶瓷材料由于熱震所導致的裂紋會產生自愈合現象。而近幾十年的研究表明，除了MgO、Al2O3外，像SiC、SiN4這些加入陶瓷中的復合材料也均具有自愈合能力，如果能在結構陶瓷方面實現自愈合，不僅可以大幅度提高結構陶瓷物件的韌性，還可以降低機械加工及拋光成本，從而延長結構陶瓷物件的使用壽命，大大提高陶瓷產品的實用性能。

三、仿生荷葉自清潔性

自然界在人類科學技術還未發展之前就早已有了微觀的構造，比如微米、納米。納米結構存在于荷葉表面微米結構的乳突上，這種微米與納米相復合的階層結構引起荷葉的超疏水表面。荷葉的自清潔性可以用“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”來形容。荷葉的細胞成分是葉綠素、纖維素等多糖類的碳水化合物，含有豐富的烴基、酯基等極性基團，在自然環境中很容易吸附水或者污漬，但是在荷葉的表面又有著極強的“拒水性”，所以灑在其表面的水會自動匯聚成水珠，水珠通過不規律的滾動把落在葉面的塵土黏住，然后帶著塵土滾出葉面，使得荷葉面始終保持一塵不染[2]。荷葉的自潔功能可以用來制作人工防污設計比如玻璃，不論是車載玻璃或者是在家庭陽臺上安裝的鋼化玻璃。經過納米處理的玻璃本身就具有自清潔性，納米荷葉玻璃看上去與普通玻璃并無二致，一樣潔凈透明，但它的憎水性、安全性卻是普通玻璃無法媲美的。

近年來，荷葉的防水防污性在涂料上的應用比較廣泛，瓷磚和鋁扣板在現代家庭衛生間防水中的使用頻率最高。如果粉刷衛生間的墻壁用防水漆來粉刷，通過技術加強涂料的防水透氣性，確保墻面不受水汽侵蝕，屆時不會臟的地板、不會染上灰塵的墻壁和沒有灰塵阻撓的無線電用品將大量投入市場。如果實現這些產品或領域的自清潔性，給人類帶來的好處是顯而易見的，最關鍵的是還可以節省在清潔上的費用。

除了在材料上可以運用荷葉的自清潔性，產品原料也可以充分使用荷葉的清潔防水功能，其原理就是采用具有持久憎水性的物質，形成一個納米級的顯微結構，從而使物體具有類似荷花葉子的表面結構。例如，我們知道敏感性皮膚的護理很麻煩，其特點就是角質層保持水分的能力低，容易受食物、水質、紫外線等外在環境的干擾，因此過敏性皮膚需要相對清爽的親水性護膚品，而用荷葉效應制出的護膚品就具有良好的保潔、清水、抗紫外線、抗菌的效果。

四、結語

近年來荷葉仿生技術迅速發展，研究人員分析了荷葉的表面微觀結構，通過模仿荷葉的乳突微觀結構研制出了人工仿生荷葉，這種人工仿真荷葉在最外層被破壞的情況下仍然可以保持自身的清潔性。通過陶瓷自愈合以及荷葉相關性能的結構仿生設計手法，我們能夠更清晰地認識世界，進而創造更優良的產品。仿生技術的出現為產品設計提供了一種新的思路，為設計出更多性能優異的產品提供了參考。隨著科學技術的進一步發展，生物體中類似陶瓷自愈合、荷葉自清潔等優異的生物功能將更多地應用于工農業生產，為人類社會創造更多的財富。未來仿生技術應用前景廣闊。