仿生設計的功能紡織品和服裝的研究進展

馬菡婧，尚 淼，何 源

(1.西安工程大學 服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048； 2.西安培華學院 建筑與藝術設計學院，陜西 西安 710100； 3.西安交通大學 航天航空學院，陜西 西安 710049)

生物仿生學和仿生工程研究的迅速發展，激發了科學家和研究人員在技術領域的創造力。已有古代工程師、建筑師及科學家模仿自然界中動植物形態、結構和功能進行設計的歷史，并在人類文明中留下輝煌的成果[1]。人類骨骼的精細結構是巴黎著名建筑埃菲爾鐵塔的最初靈感，這種類似人體骨架的結構，可以承載巨大負荷并兼具極高的穩定性[2]。對骨骼的顯微分析得出其橫截面的多孔結構是骨骼在持久的緊張和壓縮之間維持平衡的關鍵，這啟發了建筑學家設計出更加復雜而精妙的質輕且具備高承載能力的建筑結構[3]。現在，隨著分析技術的革新，研究人員能夠在更小的分子和細胞微觀尺度中揭開大自然設計的秘密。科學家正通過深入了解自然界的精妙現象努力縮小人工制造藝術與自然藝術之間的差距。通過介觀尺度和納米微觀尺度上的分析與應用，一系列基于仿生設計原理的研究成果促進了現代工業化的快速發展，如多功能傳感器、新型太陽能電池、電子電路設備等[4]。

功能化紡織品和服裝因其重要的商業前景和應用價值，在柔性電子、微納電子系統等高新技術領域中占據重要角色，其研發、制備和推廣已經獨立于傳統紡織服裝行業的范疇[5-6]。功能化紡織品和服裝被定義為能夠感知環境條件或外界刺激的一類材料或結構[7]。對功能紡織品和服裝材料仿生設計的目的是分析和利用自然界中的有益傳感和驅動現象，使其能夠在人們日常使用或穿著過程中發揮出同樣或近似功能的效果[8-9]。新型聚合物材料和微納米技術的進步，為研發功能化紡織品和服裝奠定了物質基礎和技術儲備。仿生工程是將先進的材料與技術在紡織和服裝行業中得以利用和發揮的一種有效途徑。

在生物界中，生物體材料的結構和功能之間的關系為設計功能仿生材料提供了強有力的理論基礎[10-11]。利用仿生原理設計紡織品和服裝，不僅賦予其特殊的視覺特性和美學結構[9,12]，還賦予其特殊的功能。比如，蜘蛛絲質輕且具有極高的強度和韌性，通過對蜘蛛吐絲過程中的流變學分析，得出腺體分泌物質的組成和吐絲速度是使蜘蛛絲具有優異力學性能的關鍵因素[13-14]，將其運用到人工紡絲技術中，通過合理配比紡絲液成分、合理設置紡絲速度和牽拉裝置，可以制作出接近蜘蛛絲特性的高性能纖維[15]。又如，通過對含羞草葉脈開閉現象原理進行研究，可開發出具有力致驅動的柔性織物[16]；對海洋中藻類生物視覺器官的光感應機制進行深入研究，可設計出能夠過濾電磁波譜中有害光線的感光服裝，其可作為光學保護裝置[17]。如對變色龍皮膚中多層色素細胞進行研究發現，每層均有獨立控制特定顏色和功能的細胞，研究人員據此可設計出根據環境改變顏色并具有極高隱匿性的迷彩服[18-19]。微納米科學技術加深了人們對荷葉超疏水現象的認識，據此原理設計了防水防塵納米織物；利用刻蝕技術在手套表面形成多重微結構，可實現壁虎觸角光滑且具有強大的吸附力的功能[3, 20]。

隨著生物仿生材料和聚合物材料交叉學科的進步與發展，將研發出功能更加突出、細節更加精細的仿生功能紡織品和服裝，并廣泛應用在未來人們的生產和生活中。本文對近些年國內外基于仿生原理設計的紡織品和服裝的研究進行綜合分析，介紹幾類典型仿生紡織品和服裝的概念、設計原理及其應用，并對未來仿生紡織品和服裝的發展及應用進行了展望。

1 基于荷葉仿生設計的超疏水自清潔織物

荷葉具有優異的防水、防塵和自清潔功能，這些功能特性來自葉面特殊的形貌結構。荷葉的葉面角質由可溶性脂質組成，嵌入在聚酯基質中。這種脂質化學結構在荷葉表面發生廣泛的折疊，在植物表面形成凸出的表皮細胞，使得葉面具有粗糙的微紋理結構[20-21]。這種微結構具有減少與水滴黏合力的特性。這是因為在葉面粗糙表面的間隙空氣層，使得液體與固體接觸面積減少，從而使荷葉表面不易黏附水和灰塵顆粒。同時極性的水分子由于增加內聚性而趨于凝聚，使得表面水分子以團聚形式附著在荷葉表面，在微風作用下可使水滴因重力脫落，帶走附著的污垢顆粒，保持荷葉表面清潔。利用現代納米科學和微制造技術可以模擬類似荷葉表面的涂層結構，將其融入織物中，以獲得超疏水和自清潔紡織品和服裝等。

為了實現這種超疏水自清潔功能，可在織物表面形成微納米分層結構，以提高超疏水或疏油能力。通常使用表面能低的聚合物對織物進行改性，形成的納米結構材料表面穩定吸附了一層空氣膜，使織物具備超疏水的特性。比如，疏水表面改性可以通過硅烷或氟碳鏈聚合物降低表面能。研究表明：僅通過化學方法難以在光滑物體表面實現超疏水自清潔的效果，這是因為單一聚合物材料通常缺乏規律性粗糙物理結構，不能良好地將空氣層嵌入織物表面。因此，須采用機械加工方法將理想的微觀粗糙結構賦予織物表面，才能在紡織品和服裝上更好地實現超疏水和自清潔功能。其中納米顆粒的超疏水整理在紡織品和服裝上的應用和研究較為廣泛，這種方法是構建物理粗糙結構的有效途徑[22]。織物的納米顆粒超疏水整理見圖1。

圖1 織物的納米顆粒超疏水整理

由圖1可以看出，納米顆粒如Nano-TiO2, Nano-SiO2等首先通過水熱處理工藝將納米顆粒溶液均勻并穩固涂覆在織物表面，然后在表面活性劑作用下，發生納米顆粒的自組裝，從而獲得具有超疏水能力的織物。納米涂層越薄，織物柔順性越強；涂層黏合力越穩固，則耐用性越高。因此，開發制備超薄且黏附強的納米顆粒材料至關重要。

除了納米顆粒超疏水整理外，靜電紡絲技術同樣能夠在織物表面獲得均勻且粗糙的微結構。靜電紡絲疏水整理見圖2。可以看出，通過控制紡絲工藝，將優化調配的聚合物溶液通過靜電紡絲技術，按照一定的方式均勻排布在棉織物表面，通過控制紡絲纖維在織物表面排布的間距和密度等參數，可以形成具有特殊物理結構的Janus織物，Janus為2種化學組成在同一體系且具有明確分區結構，因而具有雙重性質，如親水/疏水、極性/非極性[23]。這種靜電紡絲方式制備的Janus織物，具有優異的超疏水能力[24]。

圖2 靜電紡絲疏水整理

除了以上2類紡織材料的超疏水整理外，聚倍半硅氧烷(Polyhedral oligomeric silsesquioxan，POSS)超疏水整理是近年來研究的熱點。POSS是一種利用溶膠凝膠法合成的有機和無機結合的雜化材料，是具有三維結構的有機硅烷化合物。POSS分子的形貌結構由中心有機硅氧烷分子決定，其中梯子狀結構、雙層管和籠子結構最為常見[25]。 POSS無機結構部分由硅氧烷鍵(Si—O—Si)構成，有機結構部分則由側鏈的有機基團決定。由于Si—O—Si骨架與長烷基側鏈相互作用，POSS具有非常低的表面能和優異的抗濕特性，因此，紡織品基于POSS表面整理的面料具有出色的防水性能[26]。POSS表面超疏水整理見圖3。

圖3 POSS表面超疏水整理

由圖3可以看出，原始織物首先經過巰丙基三乙氧基硅烷(Mercaptopropyl triethoxysilane, MPTES)整理，形成巰基化織物，然后織物中的巰基基團在光引發條件下，被MAPOSS(一種特定的POSS)取代，形成POSS表面整理的超疏水織物。

與POSS超疏水整理方法類似，知名商品化面料如Gore-Tex，使用氟化聚合物作為防水透氣服裝面料的涂層[27]，Gore-Tex面料結構見圖4。該涂層保證Gore-Tex具有優異的拒水抗污的功能且兼具透氣性。

圖4 Gore-Tex面料結構

2 基于含羞草仿生設計的壓敏紡織服裝材料

觸摸響應型植物如含羞草、食蟲草等與動物肌肉神經系統具有相似的快速感應和驅動功能，將外界壓力迅速轉化為脈沖信號，執行觸摸敏感性驅動。含羞草每個小葉和葉柄的底部都有一個特殊的結構，稱為葉枕，葉枕內側由薄壁細胞構成，外側由厚壁細胞構成[28]，這些細胞具有顯著的溶脹和收縮特性。在壓力的變化情況下，細胞內水分在葉表皮的快速擴張下驅動。根據該原理，基于含羞草仿生設計的壓敏紡織服裝材料見圖5。利用這一原理，可為壓敏紡織品和服裝的設計提供靈感，設計出會因外部刺激(如觸摸、聲音或光線)而收縮或膨脹的織物。研究人員模擬葉枕吸水與失水功能，將具有溶脹和反溶脹的相變高分子材料如顆粒、微膠囊等通過黏合劑和交聯劑與織物底物結合，可設計觸覺敏感性織物面料。該功能材料具備觸摸治療功能，可配備在有驅動器和傳感器的可穿戴織物上，佩戴者在行走時可實現織物的主動驅動功能[29]。

圖5 基于含羞草仿生設計的壓敏紡織服裝材料

3 基于鯊魚皮仿生設計的低摩擦抗菌紡織服裝材料

水生動物的皮膚具有特殊的表面結構特征，能夠使其以低能耗在水中快速移動。在水環境中，生物運動過程需要克服皮膚表面和水接觸產生的黏滯力。多數品種的鯊魚皮膚可以在較大程度上減少因運動產生的流體拖拽效應，以達到在水中高效而快速移動的效果。可以通過掃描電子顯微鏡觀察鯊魚皮膚的牙齒狀鱗片結構。鯊魚皮上粗糙的V 形皺褶，在垂直渦流方向的高度為200～500 mm、間隔為100～300 mm，這種微觀尺度通過限制水流動量轉移在鯊魚運動方向的縱向影響流體的運動，通過鱗片高度與尖端間距比例的優化，實現減少縱橫向阻力的功能。鯊魚皮的這種微結構因不同位置而異，其分布、排列與流體動力學緊密相關，其另一個顯著特征是具有抗菌和抗污性，使微生物難以附著生存[30]。

受仿生設計的啟發，研究人員可據此設計出在水中具有低摩擦且無需化學處理的抗菌織物，對泳衣和海洋服裝進行了技術革新。低摩擦抗菌紡織材料的仿生設計和機制見圖6。圖6(a)泳衣具有鯊魚皮膚的特殊紋理和表面結構，其中鯊魚皮表面的V 形皺褶鱗片見圖6(b)，該鱗片結構可大幅度降低摩擦阻力。利用纖維和編織技術通過疊加垂直方向的間隙來模仿鯊魚皮鱗片特征，可以抑制接觸水而產生的湍流，可使穿著者在游泳比賽中將水下阻力降到最低。此外，科學家發現鯊魚的皮膚總能在充滿海洋微生物的環境中保持光滑干凈[31]，這是因為鯊魚表皮由一層凹凸不平的微小鱗狀角質層覆蓋，這種緊湊排列的鱗片呈齒狀且有序趨向同一方向，同時前后相臨的鱗片在邊緣形成重疊，這種結構極大地降低了鯊魚皮的表面能。而微生物的附著通常需要分泌黏液潤濕表面來實現，因此對低表面能的表面浸潤性差且難以附著，在水流或其他外力作用下很容易脫落，這種特殊構造不利于細菌生存和繁殖，同樣病毒、真菌等病原體也難以附著。研究人員以鯊魚皮為靈感[16]，設計了一種模擬V型鱗片的織物，見圖6(c)。這種抗菌織物的仿生設計不依賴任何化學物質，完全依靠織造技術來實現。

圖6 低摩擦抗菌紡織材料的仿生設計和機制

4 其他仿生設計的紡織和服裝材料

除了上述基于仿生設計的紡織和服裝材料外， Stuart等[18]研究了基于變色龍仿生設計的光感紡織品，在織物中嵌入溫敏熱電偶，可改變液晶材料的顏色，這種紡織品材料可以通過匹配物體的背景顏色提供偽裝和自適應的隱蔽功能。Yu等[17]以綠藻為靈感，開發出一類用于集成到紡織品中的感光聚合物纖維。這種感光纖維以聚甲基丙烯酸纖維作為包層，甲基丙烯酸酯共聚物作為芯層，在織物上形成光柵結構，該材料具有很強的紫外線吸收率，可用于阻擋紫外線并對紫外線具有敏感的顏色響應效果，用于保護皮膚和軟組織。White等[32]以生物組織的自愈合功能為靈感，設計了一種由自愈合微膠囊構成的織物涂層，經過該涂層整理的紡織品具有表面自愈合功能，可用于防割手套、柔性抗疲勞材料等。

5 結束語

本文通過對近年來基于仿生設計紡織品和服裝材料的回顧分析，概述了功能化紡織品或服裝仿生設計的總體思路和發展方向，對各類仿生設計的結構特點、功能優勢及推廣和適用的局限性進行總結分析。表明：自然界中的仿生設計，為功能紡織品和服裝的發展提供靈感；新型聚合物材料和微納米科學技術的不斷突破，為設計和開發功能紡織品和服裝創造了條件。當前以生物啟發設計為主題的功能紡織品與服裝，正處于功能材料設計與織物集成技術之間的探索階段，未來需要紡織加工技術、材料科學、美學設計學等不同領域的共同推進以賦予紡織品和服裝更加豐富的功能。