仿生學在紡織服裝領域的應用

顏辛茹，朱 穎，楊 亞

（常熟理工學院，江蘇 常熟 215500）

仿生學，即模仿自然界的形態及功能，為發明新事物、總結新理論的科學。在科學研究中，運用了大量仿生學原理，甚至一些新型材料的功能性已經超過了被模仿者。仿生學在紡織服裝行業的應用也特別廣泛，雖然是對形的模仿，但核心價值是理解自然界的運作模式及背后邏輯，這些直接或間接地推動了紡織服裝業的發展。

1 仿生學應用起源

仿生纖維分為微觀構成與天然纖維相似的化纖和模仿天然纖維觸感的人造纖維。仿生紡織品是仿生纖維通過后整理、組織結構設計及織造技術等生產的具備特殊功能的紡織品。

對天然纖維的學習和模仿是合成纖維的發展起源。最初，科學家模仿蠶吐絲得到了人造纖維。隨之而來的是硝酸纖維和黏膠纖維相繼研發成功。20世紀30年代，紡織材料進入飛速發展時期—“尼龍666”正式生產，利用乳酪蛋白、大豆蛋白等制成了各種人造纖維。1938年前后，氯乙烯、尼龍6投入工業生產，標志著第一批人造纖維問世。1960年召開的第一屆仿生學討論會標志著一門新學科的誕生—仿生學[1]。之后，各種新型化纖材料相繼研發成功[2]。

2 紡織服裝領域的仿生技術

2.1 人造纖維中的仿生技術

荷葉表面覆蓋平均直徑為5~9 μm的乳突，而在乳突上還存在直徑50~70 nm的蠟質層，這種復雜的微納米復合而成的階層結構賦予了荷葉表面超疏水的性能[3]。根據“荷葉效應”，人們對仿荷葉織物的拒水性有了更加深入的研究發現，滌綸高收縮絲、縐組織、組織系數越大的織物拒水性越好。

數千根多層微米尺寸的剛毛生長在水黽的腿部，如圖1（a）所示，使其能排開約身體體積300倍的水量。在這些剛毛的表面覆蓋著納米級別的螺旋狀溝槽，氣泡吸附在溝槽中形成氣墊，使水滴無法浸透，這便是水黽具備超疏水特性的原理。

北極熊有兩層毛發，上層毛發長且光滑，具有疏水性的表面，下層毛發短且濃密。上下層毛發中的間隙鎖住了空氣并防止了部分水分滲入。其毛發透明的中空管狀結構能吸收外界的紫外線，如圖1（b）所示，北極熊通過這種方式收集光能，再將光能轉化為熱能?？茖W家模仿北極熊毛的結構，研制出了多孔仿生纖維，具有比表面積大、質量小、導濕保暖性能強、服用性能好等特點，其中，保暖性能甚至優于北極熊毛。

圖1 自然界中的仿生

絲綢具有穿著舒適性、高級的光澤感以及絲鳴感等特點。仿真絲就是通過物理化學方法將滌綸纖維改性，使其在外觀和服用性能上與真蠶絲相似。滌綸仿真絲在織物后整理中運用了堿減量處理的方法，可以減小織物的質量，使織物光澤更加柔和、手感更接近蠶絲織物，從而得到性能和外觀均酷似真絲綢的仿真效果?！皩⒒瘜W纖維的差別化率提高到65%，建設具有強大創新能力和創新體系的化纖強國”也是我國“十三五”規劃提出的要求[4]。

2.2 紡織品中的仿生技術

松球在日常生活中隨處可見，有松子的松節是由不同性能的兩層硬殼構成的。一層硬殼比另一層硬殼具備較高的吸濕膨脹系數和硬度，在干燥環境下，松節硬殼可以自動張開；在潮濕環境下，松殼會自動關閉，這就是“松球原理”。

根據這一原理，英國科學家研制出一種同時具備散熱、保暖和除濕功能的智能仿生紡織品。這種紡織面料由具有特殊功能的兩層面料構成：上層面料一般由吸水性強的材料制成，具備類似云杉鱗片的微小凸起，可以在潮濕的環境下打開以便水分蒸發，還可以在干燥環境下閉合，防止冷風進入；下層面料的孔隙很少，避免微小凸起在打開狀態下受到外界水分的影響。

2.3 服裝服飾的仿生技術

服裝設計師從大自然中獲取靈感，通過不同的表現方法，模仿大自然中動植物的色彩搭配、生物體的紋路肌理、生物體的生理功能等。

服裝與服飾設計中的仿真主要體現在外觀和服用功能上。直接對環境色彩或生物形態的模仿稱為外形仿真，如被譽為“蝴蝶夫人”的服裝設計師森英惠，在設計服裝時大量運用了蝴蝶的元素。

此外，功能仿真主要體現在軍事、運動和安全防護上，如古代的鎧甲會在手肘關節、膝蓋等位置加上犀牛皮以及用于現代軍事領域的迷彩服等。

新冠肺炎疫情暴發后，由于長期無法外出，人們對“人與自然和諧共處”有了更加深刻的思考，仿真形態的服裝也成為熱點。這不僅是對自然之美的詮釋，更表達了人們對生活的熱愛和對大自然的信仰。

3 仿生技術在服裝設計上的應用

仿生紡織品可用于日常衣著，如仿生超疏水紡織材料和納米自潔涂層。由于其優越的自清潔性能和疏水性能，可以運用在上裝領口、袖口、褲裝褲口等容易被汗漬、雨水和塵土污漬污染的部位，可減少衣物洗滌次數，延長衣物的更換和使用周期，提高產品附加值，如圖2所示。

圖2 仿生設計運用實例

4 結語

不論是對自然界生物宏觀形態的仿生，還是微觀結構的仿生，都體現出仿生學科對紡織服裝行業的作用之廣泛、影響之深遠。目前，對絲素蛋白仿生材料、石墨烯仿生復合材料等新型材料的研究都是研究熱點。仿生紡織品材料將更加智能化、能動化、復合化和環境友好化?？傊?，在紡織服裝業中，仿生紡織品與仿真服飾的開發研究是21世紀纖維、紡織品與服裝領域的大方向。