浅议仿生材料在产品设计中的应用

◎张 雨 周恩玉 王超群

（天津科技大学 天津 300457）

大千世界中的材料无所不包、无处不在，吃、穿、住、行，每个人每天会碰到诸如橡胶、金属等材料。材料科学是当前最重要的高科技之一，是现代航天、能源、医疗、化工、建筑等行业技术的先导，而仿生材料是21世纪材料中最具潜力和希望的研究方向之一，备受人们关注。

一、什么是产品仿生设计

产品仿生设计是一门满足人的需要、适应人体结构、为人类创造舒适环境的学科，且是以追求人与自然的和谐统一为目标。师法自然，正是人类设计创新的原点。德国著名的设计大师克拉尼曾说：“设计的基础应来自于大自然的生命所呈现的真理之中。”这句话说明了人类就是在发现自然、探索自然的过程中获取、创新设计灵感。通过几十亿年的进化历程，许多天然生物体的某些部位巧夺天工，具有一些令我们难以想象的特性。通过大自然的优胜劣汰、自然选择，存活下来的生物体其结构和性能都能更好地符合环境要求且达到更优化的水平。

从产品材料未来发展方向出发，要实现成分的结构仿生和功能仿生。从保护环境的角度考虑，如果能将仿生材料大量投入到产品设计中，可以做到减少资源浪费，紧跟可持续性发展战略。从商业角度出发，可以降低成本，减少潜在的风险以提高竞争力。日常生活中的仿生产品，主要是仿植物或动物的一些造型，但这远不能满足现代生活的需要。以下将用两个具体例证来阐述除造型以外的仿生设计。

二、仿生自愈合聚合物材料与陶瓷器具

原始陶器产生于一万多年前的黄河和长江流域，宋代时瓷器艺术空前发展，地方窑系各具一格。从新石器时代的第一片陶出现开始，人类一直没有停止对新材料的探索，材料是文明的具体物质形态的支撑。随着科学技术的不断发展，以自愈合材料为主的智能材料逐渐出现在人们的视野中。

自愈性也就是通常理解的，经过一段时间的自然恢复或者一段时间的治疗，伤口可以渐渐愈合的现象，动植物一般都有这种自愈合能力。人手上的茧子就是微小损伤自行修复愈合的结果，我们身体内部分泌出的胶质对损伤的部位进行填充，慢慢就形成了硬度比较大的皮肤，即茧。要知道蝾螈甚至能在受伤之后由伤口处愈合并长出肉芽，逐渐恢复到原状；海胆如果不小心扭伤脊椎，体内会产生一种由碳酸钙分子包裹着的黏胶状物质，填充到受伤处逐渐结晶硬化对脊椎进行修补。自愈合赋予了生物顽强的生命力，也激发了我们的兴趣。如何让我们的产品也具有这种自愈能力呢？如果能实现产品自愈合，那么就会大大提高产品的利用率，减少浪费。

陶瓷材料由于其机械强度高、耐磨性好、耐腐蚀性优良、热稳定性高、绝缘性好等优点，已成为高温领域的优选材料之一，常用在身边的产品和装饰品中。但是陶瓷在制作及使用过程中，必然要经历干燥烧结机械加工的处理，常常会产生裂纹，大幅度降低韧性陶瓷的强度和可靠性[1]。这就造成陶瓷成品多多少少存在一些瑕疵，虽然对使用的影响不大，但会影响陶瓷工艺品的手感和美感。近几十年来，国外研究人员就陶瓷裂纹方面进行了一系列的研究和探索，他们发现MgO、Al2O3等陶瓷材料由于热震所导致的裂纹会产生自愈合现象。而近几十年的研究表明，除了MgO、Al2O3外，像SiC、SiN4这些加入陶瓷中的复合材料也均具有自愈合能力，如果能在结构陶瓷方面实现自愈合，不仅可以大幅度提高结构陶瓷物件的韧性，还可以降低机械加工及抛光成本，从而延长结构陶瓷物件的使用寿命，大大提高陶瓷产品的实用性能。

三、仿生荷叶自清洁性

自然界在人类科学技术还未发展之前就早已有了微观的构造，比如微米、纳米。纳米结构存在于荷叶表面微米结构的乳突上，这种微米与纳米相复合的阶层结构引起荷叶的超疏水表面。荷叶的自清洁性可以用“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”来形容。荷叶的细胞成分是叶绿素、纤维素等多糖类的碳水化合物，含有丰富的烃基、酯基等极性基团，在自然环境中很容易吸附水或者污渍，但是在荷叶的表面又有着极强的“拒水性”，所以洒在其表面的水会自动汇聚成水珠，水珠通过不规律的滚动把落在叶面的尘土黏住，然后带着尘土滚出叶面，使得荷叶面始终保持一尘不染[2]。荷叶的自洁功能可以用来制作人工防污设计比如玻璃，不论是车载玻璃或者是在家庭阳台上安装的钢化玻璃。经过纳米处理的玻璃本身就具有自清洁性，纳米荷叶玻璃看上去与普通玻璃并无二致，一样洁净透明，但它的憎水性、安全性却是普通玻璃无法媲美的。

近年来，荷叶的防水防污性在涂料上的应用比较广泛，瓷砖和铝扣板在现代家庭卫生间防水中的使用频率最高。如果粉刷卫生间的墙壁用防水漆来粉刷，通过技术加强涂料的防水透气性，确保墙面不受水汽侵蚀，届时不会脏的地板、不会染上灰尘的墙壁和没有灰尘阻挠的无线电用品将大量投入市场。如果实现这些产品或领域的自清洁性，给人类带来的好处是显而易见的，最关键的是还可以节省在清洁上的费用。

除了在材料上可以运用荷叶的自清洁性，产品原料也可以充分使用荷叶的清洁防水功能，其原理就是采用具有持久憎水性的物质，形成一个纳米级的显微结构，从而使物体具有类似荷花叶子的表面结构。例如，我们知道敏感性皮肤的护理很麻烦，其特点就是角质层保持水分的能力低，容易受食物、水质、紫外线等外在环境的干扰，因此过敏性皮肤需要相对清爽的亲水性护肤品，而用荷叶效应制出的护肤品就具有良好的保洁、清水、抗紫外线、抗菌的效果。

四、结语

近年来荷叶仿生技术迅速发展，研究人员分析了荷叶的表面微观结构，通过模仿荷叶的乳突微观结构研制出了人工仿生荷叶，这种人工仿真荷叶在最外层被破坏的情况下仍然可以保持自身的清洁性。通过陶瓷自愈合以及荷叶相关性能的结构仿生设计手法，我们能够更清晰地认识世界，进而创造更优良的产品。仿生技术的出现为产品设计提供了一种新的思路，为设计出更多性能优异的产品提供了参考。随着科学技术的进一步发展，生物体中类似陶瓷自愈合、荷叶自清洁等优异的生物功能将更多地应用于工农业生产，为人类社会创造更多的财富。未来仿生技术应用前景广阔。