自然界“军备竞赛”中的材料科学*

焦大，刘增乾②†，张哲峰②††

①中国科学院金属研究所 材料疲劳与断裂实验室，沈阳 110016；②中国科学技术大学 材料科学与工程学院，合肥 230026

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。从石器时代到铜器、铁器、钢铁时代，再到高分子、半导体以及纳米时代，材料的每一次变革与突破都极大地推动了人类社会生产力的发展。然而，随着科技的日益进步，人们对材料性能的需求越来越高，一些传统的人造材料已经难以满足现代工业和科技发展的需要，这些问题亟待通过新型高性能材料的研发来解决。作为人类工程技术和思想灵感的源泉，大自然往往能够给人们带来无限惊喜与启迪，这对于材料科学也不例外。

1 大自然——天才的材料设计师与灵感源泉

大自然是天才的材料设计师。自然界中的生物材料是由动植物等生物体采用简单而且性能并不突出的碳酸钙、二氧化硅等无机矿物与蛋白质、甲壳素等有机质复合而成的；并且，与人造材料苛刻的制备加工条件(如高温、高压等)相比，生物材料的合成往往是在相对温和的自然条件下通过“自下而上”的自组装方式实现的[1-3]。尽管如此，天然生物材料往往表现出优异的综合力学性能与功能特性，其性能甚至可以与经过高度优化的人造材料相媲美，如图1所示[4]。更令人惊奇的是，很多生物材料即使在没有新陈代谢的体外条件下也能够实现自修复以及对外界刺激的响应，并且能够帮助生物体实现多种功能，同时废弃后可以自然降解，从而使得生物体利用最少的材料达到对其生存环境的最佳适应。例如，蜘蛛丝是目前已知的最坚韧的纤维材料之一，其质轻而富有弹性，断裂能远远超过高强钢及制作防弹衣用的Kevlar纤维[5]。据计算，一根铅笔粗细的蜘蛛丝束甚至能够承受使一架波音747飞机停下来的拉力。此外，蜘蛛丝还具有信息传导、反射紫外线等功能。

图1 天然生物材料优异的力学性能：不同生物材料的(a)比强度(强度与密度之比)和比刚度(杨氏模量与密度之比)以及(b)杨氏模量和断裂韧性与人造材料的比较[3-4]

大自然是人类的良师。天然生物材料的优异特性主要得益于其经过长期自然选择与进化而形成的跨尺度、多层级组织结构，而这种巧妙设计能够为实现人造材料的性能优化提供有益的启示。从材料学、力学等角度揭示典型天然生物材料的组织结构，澄清赋予其优异性能的关键机理，进而提炼出天然与人造材料体系共性的优化设计原则，有望从仿生角度为改善人造材料的力学性能提供重要的指导。通过模仿天然生物材料的宏观形态与微观组织结构开发新型的仿生材料已成为进一步改善人造材料性能的有效途径。例如，Munch等[6]采用冰模板法制备了具有类似贝壳微观结构的氧化铝陶瓷-有机玻璃复合材料，该材料具有优异的强度和断裂韧性，其断裂能相比于组元的简单混合提高了300多倍。

2 生物力学与仿生材料：认识自然—理解自然—学习自然

生物体是由材料组成的，而力学性能是材料的基本性能指标。不断优化材料的力学性能以使其更好地满足实际应用需求是天然与人造材料体系发展的共同目标，同时也是它们面临的共性难题。作为涉及材料学、生物学、力学、物理、化学等多个领域的新兴交叉学科，生物力学与仿生材料研究自20世纪80年代以来在国际上受到广泛重视，至今依然非常活跃[7]。生物力学以生物体为研究对象，应用材料学和力学的原理与方法，揭示天然生物材料的巧妙设计和内在机理；仿生材料研究则是通过模仿生物材料的设计进行新型人造材料的制备与组织结构构筑，以达到性能优化的目的。生物力学研究是仿生材料设计与制备的基础和前提，发展新型高性能仿生材料是生物力学研究的方向和最终目的。

生物力学与仿生材料研究可以分为逐步深入的“认识自然—理解自然—学习自然”三个阶段(图2)：

(1)认识自然：阐明典型生物材料在不同尺度的组成、组织结构以及力学性能与功能，建立它们之间的系统关系，揭示变形、断裂机制和不同因素的影响。

(2)理解自然：从材料学、力学等角度揭示生物材料实现强韧化以及其他优异性能的关键机制原理，提炼天然与人造材料体系共性的优化设计原则与策略。

(3)学习自然：将生物材料的优化设计原则应用于人造材料体系，研发新型仿生材料与相应的制备方法，实现人造材料性能优化以更好地满足实际应用需求。

3 自然界“军备竞赛”——各种天然武器的演变

在残酷的自然选择与竞争过程中，攻击和防御是大多数生物体(特别是动物)赖以生存的关键技能，而这两种技能主要通过它们进化形成的“天然武器”来实现。自然界中的天然武器主要用于完成捕猎、进食、格斗等一系列对生物体至关重要的功能，因此其力学性能已经在相应环境条件的限制范围内达到了最优化[4]。特别是，为了提高攻击效率同时尽量减小自身所受到的损伤，天然武器进化出一系列不同于其他类型材料(例如贝壳、鱼鳞、穿山甲鳞片等装甲类材料[8-10])的独特设计。鉴于此，大自然巨大的天然武器库可以为新型仿生材料的组织结构、力学性能和功能的优化设计提供宝贵的灵感，特别是对于抗冲击、耐磨等使用条件苛刻的材料体系。

“刀枪剑戟，斧钺勾叉”，不同生物体的生存环境和面临的生存挑战差异很大，因而它们所进化出来的天然武器也多种多样[11]。尽管如此，绝大多数天然武器都具有突出的力学性能，并且在长期的自然界“军备竞赛”中，不同种类生物体的天然武器之间形成了相似的材料设计特点，这意味着天然武器在某种程度上存在着趋同进化的趋势[11]。自然界中的天然武器大致可以分为以下10类(图3(a))：牙齿、口器、齿舌、喙、角、前肢、爪、螫针、体刺以及主要利用力学性能之外的其他功能的非常规性武器(图3(b))[3]。其中，同一类天然武器往往表现出相似的形式、组织结构以及使用功能，下面对各种类型的天然武器进行逐一简介。

图2 生物力学与仿生材料研究的三个阶段：认识自然—理解自然—学习自然[3]

图3 (a)天然武器的分类以及(b)主要利用力学性能之外的其他功能的非常规性武器[3]

3.1 牙齿

牙齿是脊椎动物最常用的天然武器，主要用于进食、捕猎(特别是食肉动物)、自卫、打斗等。牙齿的力学性能主要来自其内层牙本质和外层牙釉质两个部分的贡献，其中牙本质矿化程度相对较低，表现出良好的塑性、断裂韧性和吸能效果，并且通过梯度过渡的界面(即釉牙本质面)与外层高度矿化的牙釉质相连接。牙釉质由定向排列的釉柱组成，每根釉柱又包含无数高度取向的纳米矿物纤维，因此具有非常高的硬度和良好的耐磨损性能。牙齿整体上具有外强而内韧的梯度力学性能。大熊猫是动物界中牙尖齿利的典型代表，其坚固强悍的牙齿是它们啃食竹子的利器(图4(a))，特别是主要提供强度和硬度的牙釉质，其精巧复杂的微观结构不仅使大熊猫牙齿具有优异的力学性能，而且还使其具有良好的自修复能力[12-13]。大熊猫的牙釉质包括外牙釉质和内牙釉质两部分，其微纳米尺度的釉柱以及羟基磷灰石矿物纤维之间的界面均以天然有机质填充和连接(图4(b)～(d))。在外牙釉质区，釉柱垂直于咬合面紧密排列；在内牙釉质区，釉柱则以两个取向相反的单元交替出现，每个单元内的釉柱取向一致。这种高密度的富含有机质的微观界面在牙釉质的变形与损伤过程中，一方面可通过诱导裂纹发生偏转、扭转以及纤维桥连等机制阻碍其扩展，另一方面则通过天然有机质在水合条件下发生溶胀、高分子链柔性提高、玻璃化转变温度降低等机制实现损伤的自动修复(图4(e)～(f))。

图4 (a)大熊猫啃食竹子的照片；(b)～(d)大熊猫牙釉质的(b)外牙釉质区、(c)内牙釉质区和(d)釉柱内部的微观形貌；(e)、(f)大熊猫牙釉质在水合条件下的自修复功能[12-13]

3.2 口器

很多无脊椎动物尽管没有牙齿，但是进化出一种类似牙齿的口腔附属物或口器作为武器进行捕食、咀嚼食物以及攻击敌人。口器在节肢动物和蠕虫中以唇颚的形式存在，而在某些昆虫(例如臭虫、蚊子、虱子等)中则具有针状的外形，用于刺入植物或动物的组织器官来吮吸液汁。与脊椎动物牙齿通常进行的垂直运动不同，唇颚式口器在工作过程中往往在水平方向上往复运动，而针状口器则可以沿针的长轴方向进行前后运动。红螯螯虾的下颚就是这种武器的典型例子[14]。它的外层由高度矿化的氟磷灰石棱柱组成，并且矿物的长轴垂直于下颚的外表面，从而可以实现载荷的高效传递；而内层由以螺旋形式排列的几丁质纤维组成，具有良好的韧性和能量吸收能力。红螯螯虾下颚通过梯度变化的界面将适于进攻的外层和适于防御的内层巧妙地结合起来，从而实现了优异的综合力学性能。

3.3 齿舌

作为软体动物常用的一种武器，齿舌是表面装配有众多细小牙齿的舌状几丁质带，通常被用于以类似耙子或锉刀的方式收集、粉碎以及切割食物。与普通脊椎动物的牙齿不同，齿舌上的牙齿按照特定的形式整齐平行排列，使得齿舌像一条传送带一样，并且牙齿的形态根据食物来源的不同而在物种间有所差别。齿舌独特的工作方式对其上牙齿的耐磨性提出了严格要求。例如，石鳖利用齿舌刮食附着在礁石上的藻类为生(图5(a))，它们齿舌上的牙齿是已知的由生物体合成的最坚硬的材料之一[15]。石鳖齿舌上的每颗小牙齿都是由高度矿化的外鞘和富含有机质的芯部组成的(图5(b))，其中，外鞘是由无数棒状的纳米磁铁矿组元构成的。这些矿物组元沿平行于齿面的方向择优排列，并且越接近齿的前缘其矿化程度越高，因此牙齿的硬度也表现出逐渐增大的趋势，这为齿舌上的牙齿实现自锐化提供了条件。

图5 (a)石鳖齿舌的工作方式和齿舌上牙齿的排列形式，以及(b)牙齿外鞘和芯部的微观组织结构[3,15]

尽管牙齿、口器和齿舌这三种武器由不同种类的生物体独立进化而来，但是它们为实现其力学功能而采用了非常相似的材料设计策略，特别是它们都具有由外到内梯度变化的微观组织结构和力学性能。强而硬的外壳有利于提高武器的进攻效果，加大给对方造成的损伤，而柔韧的基底则有利于实现良好的防御，减轻武器和生物体自身所受到的损伤。因此，天然武器能够利用梯度设计将进攻与防御这两种本来相互矛盾的功能有机地统一起来。

3.4 喙

喙由一对包裹着硬角质层的骨质突起结合而成，是鸟类用于采集、进食、攀爬、争斗和捕杀猎物的武器和主要工具。除鸟类之外，很多其他生物体(例如头足类动物、鲸类、海龟等)也拥有类似喙一样的武器，其中头足类动物——鱿鱼的喙是目前已知的硬度和刚度最高的纯树脂类材料之一[16]。鸟喙能够在最大限度地保留低比重的前提下实现最佳的力学性能[17]，这对于新型轻质结构材料设计具有一定的指导作用。例如，啄木鸟的喙由高度取向排列的角蛋白鳞片组成，并且鳞片之间的界面在微观上具有崎岖不平、犬牙交错的特征[17]。这种结构一方面可以通过加大喙尖端的应力集中和冲击功来强化其进攻效果，另一方面可以通过界面处的局部剪切变形使喙自身所受到的冲击能量得以耗散。因此，啄木鸟的喙能够在啄透树木的过程中避免发生屈曲或破坏。

3.5 角

角是位于动物头部的一种尖形突起，主要形成于叉角羚科、牛科和某些甲虫类动物(如独角仙等)等生物体中，常被用作武器进行自卫或者争夺领地、统治地位以及交配优先权。除了完全由角蛋白构成的犀牛角之外，哺乳动物的角通常由骨质的内芯和包含有角蛋白以及其他种类蛋白质的外鞘组成，并且在形成之后一般不会自动脱落，而鹿角作为一种特例往往会形成分枝并且每年定期脱落。由于要承受很大的冲击载荷和弯矩，动物的角通常具有良好的损伤抗力和能量吸收能力，从而将传递到动物头部的冲击载荷降到最低，以最大限度地保护大脑。与哺乳动物的角不同，甲虫的角生长周期更短并且尺寸更小，微观上主要由镶嵌在蛋白质基体中的几丁质纳米纤维构成。以独角仙为例，它的头部长有“Y”字形的大角，在打斗过程中通常被用来挑刺或撞击对手(图6(a))[18]。独角仙的角从外向内依次可分为外角质层、内角质层、基底膜层和具有泡沫结构的芯部。其中：外角质层由沿径向和圆周方向排列的几丁质纳米纤维交叉构成；内角质层则由几丁质纤维束以片层的形式排列而成，纤维束在每一片层内具有相同的取向，而在相邻片层之间则表现出一定的取向差，这与三合板的结构相似(图6(b)～(f))。这种从外到内梯度变化的微观组织结构赋予独角仙角良好的抗冲击性能，从而能够在保持轻质的前提下对角根处的头部起到有效的保护作用。

图6 独角仙(a)角的工作方式；(b)头部和角的三维X射线图像；(c)角的微观组织结构和(d)外角质层、(e)内角质层以及(f)芯部的典型形貌[18]

3.6 前肢

前肢是指节肢动物用于捕捉和粉碎猎物的前腿或附肢，是螳螂科、螳蛉科、负子蝽科、蝎蝽科等多种昆虫常用的武器，其中螳螂尖利的前肢最为人熟知。前肢经常被用来击打具有相同材质甚至由更为强硬的材料构成的天然铠甲。例如，螳螂的前肢可刺破同样由几丁质组成的蝉的外骨骼。另外，螳螂虾的前肢可敲碎主要由矿物组成的贝壳等。前肢这种优异的力学性能主要归因于其巧妙的材料与结构设计，雀尾螳螂虾的锤子状前螯是其中的典型代表，如图7所示[19-21]。它的外层具有梯度变化的矿物含量，越靠近外表面氟化磷灰石的含量越高，纳米尺度的矿物组元组成“人”字形弯曲的片层，组元的取向在片层内发生周期性的变化，并且在最外侧沿垂直于外表面的方向择优排列，这使得前螯外层具有突出的刚度和硬度，从而有利于加大其对猎物输出的冲击功。前螯的内层由矿化的几丁质纤维组成，纤维的取向以螺旋状的形式发生周期性的变化(图7(c))，该结构可有效减弱前螯内部的冲击波，并诱导裂纹的扩展路径不断发生扭转，从而提高前螯的能量耗散率和断裂韧性。这些巧妙设计将前螯外部的攻击能力和内部的防御能力完美地综合起来，使其能够在不损伤自己的前提下轻而易举地击溃它的对手，如贝壳和螃蟹的外骨骼等。

3.7 爪

爪是生长在羊膜动物(如哺乳动物、爬行动物和鸟类等)手指或脚趾末端的尖利的钩状附肢，也表现为灵长类动物和其他一些哺乳动物具有类似弯曲形状的指甲以及节肢动物类似钳子一样的螯。爪作为武器主要用来猎取食物和进行自卫，也可以作为工具用于挖掘、攀爬等，在使用过程中通常承受自下向上的弯曲力。哺乳动物的爪主要由α-角蛋白组成，爬行动物和鸟类的爪则主要由β-角蛋白组成。虽然矿物含量很低，但角蛋白可以通过在多肽链之间以及角蛋白纤维与非晶态基质之间形成二硫键而产生丰富的结构交联，因此是韧性最好的生物材料之一。除了微观组织结构，爪的宏观几何外形对于实现其力学功能也起到了重要作用。例如，老虎可以利用锋利的虎爪轻易刺破动物的软组织甚至骨骼[22]。虎爪宏观上具有沿对数螺旋线变化的凹形轮廓，这种形状使其在受力过程中内部各个位置的应力状态更加均匀，即虎爪中没有一处位置比其他地方更容易发生破坏。此外，爪的几何外形还与其具体使用功能有关。例如，蜥蜴的爪具有更大的弯曲度，并且根部所占的相对比例也更大，因此更加适于攀爬。

图7 雀尾螳螂虾的(a)宏观照片(前螯由箭头标出)，(b)前螯的整体形貌以及(c)外层和内层的微观组织结构[19-21]

3.8 螫针

螫针是以节肢动物为主的动物尾部生长的一种锋利器官，用来刺穿对手的表皮，通常伴有一个或多个毒腺，并且某些动物的螫针还长有倒刺。一些非节肢动物也长有类似螫针的锋利武器，例如黄貂鱼的肤齿和水母的刺丝胞触手等。螫针造成的伤害能够通过毒液的注入而显著放大，某些螫针的毒液会引起严重的过敏或中毒反应而导致剧烈疼痛甚至死亡。螫针具有从微观到宏观尺度上都高度优化的组织结构，因此能够在快速刺透目标并注射毒液的过程中避免发生力学失稳，同时能够轻易从目标中拔出，大部分生物体的螫针都可以重复使用。胡蜂的螫针是这类武器的典型代表，它由一个管心针和两个带有倒刺的针鞘组成[23]。向前推进的针鞘能够轻易穿透目标的表皮，针鞘上面的倒刺可以通过诱导目标组织的应力集中和挤压组织液作为润滑剂来降低穿透力。当螫针从组织中拔出时，针鞘可以利用其螺旋形的几何外形将倒刺隐藏在管心针一侧，从而减少螫针的横向跨度，使拔出时的拖曳力最小化。

3.9 体刺

体刺是一种坚硬的针状武器，主要被用作一种主动防御机制来恐吓或击退捕食者，因此许多动物的体刺都特别显眼，以此来警告对手它的危险性和防御能力。体刺在不同动物中往往表现出不同的形式，包括毛毛虫的刚毛、硬骨鱼的背脊、海绵的钙质针状体和刺猬的刺等。哺乳动物的体刺通常由柔韧的泡沫内芯和刚硬的角质外鞘组成，某些物种(如非洲豪猪)的体刺中还长有轴向的加强肋以进一步提高体刺的刚度和力学稳定性。此外，美洲豪猪的体刺表面长有倒钩，使其能够轻易穿透目标的表皮并留在里面，使对手很难将其拔出。刺鲀的体刺具有非常特别的材料学设计，它可以看作由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的纳米复合材料，并且矿化程度从尖端到根部逐渐降低[24]。矿化的胶原蛋白纤维与未矿化的纤维相互交织穿插，并且沿体刺的长轴方向择优排列。这种高度取向的微观结构有利于提高体刺的轴向刚度，纤维之间丰富的界面则可以通过诱导裂纹偏转来提高体刺的韧性，因此使得体刺兼具良好的进攻和防御功能。

3.10 非常规性武器

除了上述主要利用力学性能的常规性武器之外，自然界中的生物体还进化出多种多样的非常规性天然武器，利用材料力学性能之外的其他功能，完成特殊的攻击和防御技能。典型的非常规性武器包括蜥蜴的黏舌、射水鱼的射流、枪虾的冲击波、眼镜蛇的毒液、射炮步甲的化学喷雾、电鳗的高压电流以及蜘蛛的丝网等(图4(b))[25-33]。生物体利用非常规性武器可以巧妙地实现强大的攻击效果，例如电鳗放电产生的强大电流足以在短时间内将短吻鳄致死。非常规性天然武器在使用过程中往往涉及一系列神奇的物理和化学反应，典型的如射炮步甲喷射化学喷雾以及蜘蛛吐丝等[30-31]。这些过程可以为新型人造材料的制备提供启迪，例如通过模仿蜘蛛吐丝可以高效合成高强度纤维。

4 天然武器的材料科学——攻击与防御兼得

人造材料的力学性能和功能在很大程度上是由化学成分决定的。与之相比，以天然武器为代表的生物材料尽管组元相对简单，但是却利用进化而成的复杂而巧妙的组织结构达到了突出的力学性能。同时，生物材料能够感知自身状态和外界环境条件的变化，并且自动地做出响应，从而实现主动适应、自愈合以及自我更新等来保障它们的功能。因此，生物材料是自然界中的智能材料。例如，鲨鱼的牙齿在损失后可以在一天之内得到补充和更新[34]。天然武器是生物体同步实现强力攻击和稳固防御的典型代表，尽管这两种功能在人造材料中往往表现为相互矛盾的关系，然而它们在天然武器中通过巧妙的材料与结构设计实现了完美的平衡。其中，天然武器的攻击效果主要与其刚度、强度、硬度等力学性能有关，而防御效果则主要来自弹性、塑性、断裂韧性以及抵抗冲击、磨损和疲劳等方面的性能。天然武器通过组织结构的多级构筑和梯度、取向、界面的大量应用与调节，在材料内部不同的组织结构尺度和位置实现了独特的力学性能，从而成功地克服了攻击与防御之间的相互制约关系。

尽管不同种类的天然武器之间存在很大差异，但是它们的内在材料学设计往往表现出一定的相似性，典型的代表包括蚊子的口器和蜜蜂的螫针[23,35]。这种相似性体现了自然界中的生物体在各自应对长期“军备竞赛”的过程中存在的某种趋同进化趋势。从材料学和力学的角度来看，我们可以从种类繁多的天然武器中提炼出以下几个共性的关键设计原则，如图8所示[36-41]。

4.1 几何形状

天然武器的宏观外形和几何尺寸在长期进化过程中得到持续改进，形成了适当的大小、尖锐度、曲率、倒钩和锥度等几何形状特征，以更好地完成不同的生物力学功能[36]。例如，哺乳动物尖长的犬齿能够在避免严重应力集中的前提下有效地刺穿和撕咬食物，而宽平的臼齿则更加适于咀嚼和研磨食物[39]。

4.2 梯度设计

天然武器的化学组成和组织结构(包括结构单元的排列方式、分布、尺寸和取向)在空间上往往呈现梯度变化，同时材料中存在多种平滑过渡的梯度界面。天然武器往往在不同的位置分别强化它们的攻击和防御效果，然后通过这种梯度设计将不同位置的力学性能优势结合起来，从而达到优异的整体性能[40]。

图8 为同步实现攻击和防御效果天然武器具有的共性材料学设计原则[3,36-41]

4.3 多级结构

以天然武器为代表的生物材料通过“自下而上”的自组装过程，形成了从微纳米尺度到宏观尺度都高度优化的多级组织结构。材料的不同力学性能可以在不同尺度上得以优化，例如强度与纳米结构密切相关，而断裂韧性(特别是裂纹扩展阻力)则主要来源于材料微米尺度的组织结构对裂纹扩展起到的阻碍作用[38]。天然武器能够利用多级组织结构设计在不同尺度上优化其攻击和防御效果。

4.4 自修复与自适应

天然武器在发生损伤后往往能够通过自修复与自适应继续满足性能和功能需求。例如，牙齿中的牙釉质在水合条件下能够利用它所包含的有机质的黏弹性实现微纳米尺度的自修复。尽管牙釉质中的有机质含量非常低(质量分数约1%)，但这种自修复响应仍然表现出较高的效率。以大熊猫牙釉质为例，其纳米尺度的压痕深度可以在100 min内减少约32 %，从而显著减弱损伤程度[13]。

4.5 支撑系统

通常情况下，生物体中存在各种各样的支撑系统以保障天然武器的功能得以正常发挥。这些支撑系统或者可以增强武器的攻击效率，或者可以减弱自身所受到的损伤。前者以螳螂虾的虾鞍为代表，它可以为前螯的迅速出击储存并快速释放大量的弹性能[19]；而后者则以啄木鸟的舌骨为代表，它可以有效吸收冲击能量，缓冲鸟喙在啄木时的应力波，从而保护鸟的大脑免受伤害[37]。

4.6 多功能性

作为天然武器的材料体系除了能够实现攻击和防御之外，还往往被用来完成信息交流、体温调节、伪装等其他多种功能，例如鸟类可以通过喙的相互接触进行交流和求偶[41]。这种多功能性体现了大自然所运用的系统性的结构-功能一体化的材料设计理念，因此天然武器可以作为人造多功能材料设计的典范。

5 天然武器的仿生启示：材料—器件—装置

自然界中的天然武器能够为仿生设计提供很多宝贵的启示。然而，目前在结构材料领域只有极少数运用天然武器的设计原则解决实际工程问题的成功案例。一方面，这是由于人们对天然武器的材料学设计和内在的性能优化机理缺乏深入的了解；另一方面，这与天然与人造材料体系截然不同的形成和制备方式有关。人造材料往往是通过“自上而下”的方式进行合成和制备的，通常需要高温、高压等严苛的生产条件，并且需要消耗大量的能源。这与在温和的自然环境中以“自下而上”的方式通过长期自然进化生长形成的天然生物材料存在着本质差异。不过，随着3D打印、磁场辅助加工等新型材料制备技术的发展[42-43]，人们可以对材料的组织结构进行更为精细的设计和控制，甚至可以在微纳米尺度对其进行有效的构筑，这为在人造材料、器件与装置中模仿天然武器的巧妙设计提供了更为有力的工具。

首先，天然武器能够为人造材料微观组织结构的优化设计提供指导。例如，通过模仿牙釉质中釉柱和纳米矿物纤维高度取向的结构特点，Yeom[44]等利用水热法生长出沿纵向排列的氧化锌纳米线，然后将纳米线之间的缝隙通过浸渗树脂进行填充，从而制备得到了由氧化锌纳米线和树脂基体组成的层状复合材料，如图9所示。该复合材料与牙釉质在微观结构设计方面具有很多相似之处，例如两者均由矿物和树脂组成，矿物单元均沿特定方向择优排列，并且组元的尺度都在微纳米水平等。这种仿生设计赋予材料优异的刚度和阻尼特性，使其在生物医用等领域展现出一定的应用前景。

图9 受天然武器启发而开发的仿生材料、器件与装置，其设计灵感分别源自牙釉质、蚊子口器和鼹鼠前爪[3,44,46]

其次，除了材料的微观组织结构，天然武器还可以为更大尺度的器件以及装置设计提供灵感，从而为解决更多领域、更广范围的技术问题提供途径。一个典型的例子是利用离子蚀刻技术制作的微型医疗器件，它由一个管心针和两个锯齿状外鞘组成(图9)，在外形、结构尺度和装配形式上都与蚊子的口器相似[45]。与普通的管状针相比，这种针状器件可以通过管心针和外鞘的协同运动更加轻易地刺入组织，并且锯齿状外鞘的切割方式还可以减小刺入过程中器件与组织的接触面积，从而大大减轻患者的疼痛感，因此非常适合于临床采血和注射等。在更加宏观的尺度上，天然武器的几何外形能够为人造装置和工具设计提供启示。例如，受鼹鼠前爪的启发设计的用于耕作的缺口圆盘耙[46]，其光滑的镰刀形叶片与鼹鼠前爪的几何形状相似(图9)。这种设计不仅有助于缓解犁地过程中圆盘表面和盘杆结合处的应力集中，同时能够减小犁对拖拉机的拖拽阻力，从而提高工作效率并减少燃料消耗。

此外，天然武器的优势不仅在于它们是如何设计的，而且在于它们是如何工作的，这在某种程度上超出了材料学的范畴，而与机械工程学紧密相关。天然生物材料系统的工作方式同样可以为解决实际工程问题提供灵感。例如，蚊子的口器并非像矛一样直接刺向目标，而是通过高频前后震动的方式利用其锯齿状的外鞘来切割皮肤，以显著降低刺入组织的阻力，实现无痛叮咬[35]。相似的工作方式也可以在上述仿生微型针中采用，通过沿针管方向施加微振动可以使微型针更为轻易地刺入组织，减轻患者的疼痛。另一个例子是具有与海胆口器相似外形的新型地面采样器，通过模仿海胆口器打开和闭合的工作方式，这种采样器可以高效地完成采集和释放动作[47]。

6 总结与展望

《道德经》云“人法地，地法天，天法道，道法自然”。在自然界长期“军备竞赛”过程中进化而成的天然武器是促进新型人造材料发展的灵感源泉。与传统“试错式”的成分优化等方法相比，从仿生角度对材料进行微观组织结构设计能够为材料性能的改进提供新的途径。为了达到这个目的，生物力学与仿生材料研究首先需要回答两个最基本的关键问题：①生物材料是如何实现其性能最优化的？②生物材料的巧妙设计如何在人造材料中实现？

第一个问题主要与生物力学有关。我们需要拓宽生物材料的研究体系，重点澄清赋予材料优异性能的主要组织结构特征，阐明这些设计的作用机制，进而从材料学、力学等角度提炼内在的优化设计原则。特别是，应该从微纳米、介观到宏观等不同的尺度综合考虑生物材料多级组织结构的作用。在这方面，多尺度仿真模拟有望为生物力学研究提供有力的工具。此外，考虑到生物趋同进化的趋势，我们应重视对已知材料体系中存在的共性规律的归纳和总结，所谓“温故而知新”。一味去探究未知生物体系，盲目地追求稀奇古怪的材料，对于加深人们对生物材料优化设计原则的理解往往事倍功半。

第二个问题主要涉及到新型高性能仿生材料的设计与制备。一方面，我们需要在多级尺度上对材料的组织结构进行控制。现有的材料制备加工工艺往往只能在有限的尺度上对材料的结构特征加以调节，例如相组成和晶粒尺寸等，而增材制造、冷冻铸造等新型材料制备技术的发展为更为精细有效的仿生组织结构设计与构筑提供了可能[48-49]。特别是，将现有工艺与新技术的优势相结合，有望促进仿生设计更好地为解决实际问题服务。另一方面，成功的仿生设计并不需要机械死板地复制天然生物材料的组织结构，而是要灵活地运用其内在的材料优化设计的原则和理念，也就是应该更多地注重“神似”而不是单纯追求“形似”。

综上所述，探索天然生物材料的巧妙设计，揭示自然界“军备竞赛”中的材料科学，不仅能够增进人们对大自然的了解，而且能够为改进人造材料的性能和功能提供灵感和启迪。天然材料的设计原则和理念有望为当前和今后面临的技术挑战提供越来越多的创新性解决方案，为科技发展和社会进步不断贡献新型的高性能仿生材料。