仿生设计的功能纺织品和服装的研究进展

马菡婧，尚 淼，何 源

(1.西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安 710048； 2.西安培华学院 建筑与艺术设计学院，陕西 西安 710100； 3.西安交通大学 航天航空学院，陕西 西安 710049)

生物仿生学和仿生工程研究的迅速发展，激发了科学家和研究人员在技术领域的创造力。已有古代工程师、建筑师及科学家模仿自然界中动植物形态、结构和功能进行设计的历史，并在人类文明中留下辉煌的成果[1]。人类骨骼的精细结构是巴黎著名建筑埃菲尔铁塔的最初灵感，这种类似人体骨架的结构，可以承载巨大负荷并兼具极高的稳定性[2]。对骨骼的显微分析得出其横截面的多孔结构是骨骼在持久的紧张和压缩之间维持平衡的关键，这启发了建筑学家设计出更加复杂而精妙的质轻且具备高承载能力的建筑结构[3]。现在，随着分析技术的革新，研究人员能够在更小的分子和细胞微观尺度中揭开大自然设计的秘密。科学家正通过深入了解自然界的精妙现象努力缩小人工制造艺术与自然艺术之间的差距。通过介观尺度和纳米微观尺度上的分析与应用，一系列基于仿生设计原理的研究成果促进了现代工业化的快速发展，如多功能传感器、新型太阳能电池、电子电路设备等[4]。

功能化纺织品和服装因其重要的商业前景和应用价值，在柔性电子、微纳电子系统等高新技术领域中占据重要角色，其研发、制备和推广已经独立于传统纺织服装行业的范畴[5-6]。功能化纺织品和服装被定义为能够感知环境条件或外界刺激的一类材料或结构[7]。对功能纺织品和服装材料仿生设计的目的是分析和利用自然界中的有益传感和驱动现象，使其能够在人们日常使用或穿着过程中发挥出同样或近似功能的效果[8-9]。新型聚合物材料和微纳米技术的进步，为研发功能化纺织品和服装奠定了物质基础和技术储备。仿生工程是将先进的材料与技术在纺织和服装行业中得以利用和发挥的一种有效途径。

在生物界中，生物体材料的结构和功能之间的关系为设计功能仿生材料提供了强有力的理论基础[10-11]。利用仿生原理设计纺织品和服装，不仅赋予其特殊的视觉特性和美学结构[9,12]，还赋予其特殊的功能。比如，蜘蛛丝质轻且具有极高的强度和韧性，通过对蜘蛛吐丝过程中的流变学分析，得出腺体分泌物质的组成和吐丝速度是使蜘蛛丝具有优异力学性能的关键因素[13-14]，将其运用到人工纺丝技术中，通过合理配比纺丝液成分、合理设置纺丝速度和牵拉装置，可以制作出接近蜘蛛丝特性的高性能纤维[15]。又如，通过对含羞草叶脉开闭现象原理进行研究，可开发出具有力致驱动的柔性织物[16]；对海洋中藻类生物视觉器官的光感应机制进行深入研究，可设计出能够过滤电磁波谱中有害光线的感光服装，其可作为光学保护装置[17]。如对变色龙皮肤中多层色素细胞进行研究发现，每层均有独立控制特定颜色和功能的细胞，研究人员据此可设计出根据环境改变颜色并具有极高隐匿性的迷彩服[18-19]。微纳米科学技术加深了人们对荷叶超疏水现象的认识，据此原理设计了防水防尘纳米织物；利用刻蚀技术在手套表面形成多重微结构，可实现壁虎触角光滑且具有强大的吸附力的功能[3, 20]。

随着生物仿生材料和聚合物材料交叉学科的进步与发展，将研发出功能更加突出、细节更加精细的仿生功能纺织品和服装，并广泛应用在未来人们的生产和生活中。本文对近些年国内外基于仿生原理设计的纺织品和服装的研究进行综合分析，介绍几类典型仿生纺织品和服装的概念、设计原理及其应用，并对未来仿生纺织品和服装的发展及应用进行了展望。

1 基于荷叶仿生设计的超疏水自清洁织物

荷叶具有优异的防水、防尘和自清洁功能，这些功能特性来自叶面特殊的形貌结构。荷叶的叶面角质由可溶性脂质组成，嵌入在聚酯基质中。这种脂质化学结构在荷叶表面发生广泛的折叠，在植物表面形成凸出的表皮细胞，使得叶面具有粗糙的微纹理结构[20-21]。这种微结构具有减少与水滴黏合力的特性。这是因为在叶面粗糙表面的间隙空气层，使得液体与固体接触面积减少，从而使荷叶表面不易黏附水和灰尘颗粒。同时极性的水分子由于增加内聚性而趋于凝聚，使得表面水分子以团聚形式附着在荷叶表面，在微风作用下可使水滴因重力脱落，带走附着的污垢颗粒，保持荷叶表面清洁。利用现代纳米科学和微制造技术可以模拟类似荷叶表面的涂层结构，将其融入织物中，以获得超疏水和自清洁纺织品和服装等。

为了实现这种超疏水自清洁功能，可在织物表面形成微纳米分层结构，以提高超疏水或疏油能力。通常使用表面能低的聚合物对织物进行改性，形成的纳米结构材料表面稳定吸附了一层空气膜，使织物具备超疏水的特性。比如，疏水表面改性可以通过硅烷或氟碳链聚合物降低表面能。研究表明：仅通过化学方法难以在光滑物体表面实现超疏水自清洁的效果，这是因为单一聚合物材料通常缺乏规律性粗糙物理结构，不能良好地将空气层嵌入织物表面。因此，须采用机械加工方法将理想的微观粗糙结构赋予织物表面，才能在纺织品和服装上更好地实现超疏水和自清洁功能。其中纳米颗粒的超疏水整理在纺织品和服装上的应用和研究较为广泛，这种方法是构建物理粗糙结构的有效途径[22]。织物的纳米颗粒超疏水整理见图1。

图1 织物的纳米颗粒超疏水整理

由图1可以看出，纳米颗粒如Nano-TiO2, Nano-SiO2等首先通过水热处理工艺将纳米颗粒溶液均匀并稳固涂覆在织物表面，然后在表面活性剂作用下，发生纳米颗粒的自组装，从而获得具有超疏水能力的织物。纳米涂层越薄，织物柔顺性越强；涂层黏合力越稳固，则耐用性越高。因此，开发制备超薄且黏附强的纳米颗粒材料至关重要。

除了纳米颗粒超疏水整理外，静电纺丝技术同样能够在织物表面获得均匀且粗糙的微结构。静电纺丝疏水整理见图2。可以看出，通过控制纺丝工艺，将优化调配的聚合物溶液通过静电纺丝技术，按照一定的方式均匀排布在棉织物表面，通过控制纺丝纤维在织物表面排布的间距和密度等参数，可以形成具有特殊物理结构的Janus织物，Janus为2种化学组成在同一体系且具有明确分区结构，因而具有双重性质，如亲水/疏水、极性/非极性[23]。这种静电纺丝方式制备的Janus织物，具有优异的超疏水能力[24]。

图2 静电纺丝疏水整理

除了以上2类纺织材料的超疏水整理外，聚倍半硅氧烷(Polyhedral oligomeric silsesquioxan，POSS)超疏水整理是近年来研究的热点。POSS是一种利用溶胶凝胶法合成的有机和无机结合的杂化材料，是具有三维结构的有机硅烷化合物。POSS分子的形貌结构由中心有机硅氧烷分子决定，其中梯子状结构、双层管和笼子结构最为常见[25]。 POSS无机结构部分由硅氧烷键(Si—O—Si)构成，有机结构部分则由侧链的有机基团决定。由于Si—O—Si骨架与长烷基侧链相互作用，POSS具有非常低的表面能和优异的抗湿特性，因此，纺织品基于POSS表面整理的面料具有出色的防水性能[26]。POSS表面超疏水整理见图3。

图3 POSS表面超疏水整理

由图3可以看出，原始织物首先经过巯丙基三乙氧基硅烷(Mercaptopropyl triethoxysilane, MPTES)整理，形成巯基化织物，然后织物中的巯基基团在光引发条件下，被MAPOSS(一种特定的POSS)取代，形成POSS表面整理的超疏水织物。

与POSS超疏水整理方法类似，知名商品化面料如Gore-Tex，使用氟化聚合物作为防水透气服装面料的涂层[27]，Gore-Tex面料结构见图4。该涂层保证Gore-Tex具有优异的拒水抗污的功能且兼具透气性。

图4 Gore-Tex面料结构

2 基于含羞草仿生设计的压敏纺织服装材料

触摸响应型植物如含羞草、食虫草等与动物肌肉神经系统具有相似的快速感应和驱动功能，将外界压力迅速转化为脉冲信号，执行触摸敏感性驱动。含羞草每个小叶和叶柄的底部都有一个特殊的结构，称为叶枕，叶枕内侧由薄壁细胞构成，外侧由厚壁细胞构成[28]，这些细胞具有显著的溶胀和收缩特性。在压力的变化情况下，细胞内水分在叶表皮的快速扩张下驱动。根据该原理，基于含羞草仿生设计的压敏纺织服装材料见图5。利用这一原理，可为压敏纺织品和服装的设计提供灵感，设计出会因外部刺激(如触摸、声音或光线)而收缩或膨胀的织物。研究人员模拟叶枕吸水与失水功能，将具有溶胀和反溶胀的相变高分子材料如颗粒、微胶囊等通过黏合剂和交联剂与织物底物结合，可设计触觉敏感性织物面料。该功能材料具备触摸治疗功能，可配备在有驱动器和传感器的可穿戴织物上，佩戴者在行走时可实现织物的主动驱动功能[29]。

图5 基于含羞草仿生设计的压敏纺织服装材料

3 基于鲨鱼皮仿生设计的低摩擦抗菌纺织服装材料

水生动物的皮肤具有特殊的表面结构特征，能够使其以低能耗在水中快速移动。在水环境中，生物运动过程需要克服皮肤表面和水接触产生的黏滞力。多数品种的鲨鱼皮肤可以在较大程度上减少因运动产生的流体拖拽效应，以达到在水中高效而快速移动的效果。可以通过扫描电子显微镜观察鲨鱼皮肤的牙齿状鳞片结构。鲨鱼皮上粗糙的V 形皱褶，在垂直涡流方向的高度为200～500 mm、间隔为100～300 mm，这种微观尺度通过限制水流动量转移在鲨鱼运动方向的纵向影响流体的运动，通过鳞片高度与尖端间距比例的优化，实现减少纵横向阻力的功能。鲨鱼皮的这种微结构因不同位置而异，其分布、排列与流体动力学紧密相关，其另一个显著特征是具有抗菌和抗污性，使微生物难以附着生存[30]。

受仿生设计的启发，研究人员可据此设计出在水中具有低摩擦且无需化学处理的抗菌织物，对泳衣和海洋服装进行了技术革新。低摩擦抗菌纺织材料的仿生设计和机制见图6。图6(a)泳衣具有鲨鱼皮肤的特殊纹理和表面结构，其中鲨鱼皮表面的V 形皱褶鳞片见图6(b)，该鳞片结构可大幅度降低摩擦阻力。利用纤维和编织技术通过叠加垂直方向的间隙来模仿鲨鱼皮鳞片特征，可以抑制接触水而产生的湍流，可使穿着者在游泳比赛中将水下阻力降到最低。此外，科学家发现鲨鱼的皮肤总能在充满海洋微生物的环境中保持光滑干净[31]，这是因为鲨鱼表皮由一层凹凸不平的微小鳞状角质层覆盖，这种紧凑排列的鳞片呈齿状且有序趋向同一方向，同时前后相临的鳞片在边缘形成重叠，这种结构极大地降低了鲨鱼皮的表面能。而微生物的附着通常需要分泌黏液润湿表面来实现，因此对低表面能的表面浸润性差且难以附着，在水流或其他外力作用下很容易脱落，这种特殊构造不利于细菌生存和繁殖，同样病毒、真菌等病原体也难以附着。研究人员以鲨鱼皮为灵感[16]，设计了一种模拟V型鳞片的织物，见图6(c)。这种抗菌织物的仿生设计不依赖任何化学物质，完全依靠织造技术来实现。

图6 低摩擦抗菌纺织材料的仿生设计和机制

4 其他仿生设计的纺织和服装材料

除了上述基于仿生设计的纺织和服装材料外， Stuart等[18]研究了基于变色龙仿生设计的光感纺织品，在织物中嵌入温敏热电偶，可改变液晶材料的颜色，这种纺织品材料可以通过匹配物体的背景颜色提供伪装和自适应的隐蔽功能。Yu等[17]以绿藻为灵感，开发出一类用于集成到纺织品中的感光聚合物纤维。这种感光纤维以聚甲基丙烯酸纤维作为包层，甲基丙烯酸酯共聚物作为芯层，在织物上形成光栅结构，该材料具有很强的紫外线吸收率，可用于阻挡紫外线并对紫外线具有敏感的颜色响应效果，用于保护皮肤和软组织。White等[32]以生物组织的自愈合功能为灵感，设计了一种由自愈合微胶囊构成的织物涂层，经过该涂层整理的纺织品具有表面自愈合功能，可用于防割手套、柔性抗疲劳材料等。

5 结束语

本文通过对近年来基于仿生设计纺织品和服装材料的回顾分析，概述了功能化纺织品或服装仿生设计的总体思路和发展方向，对各类仿生设计的结构特点、功能优势及推广和适用的局限性进行总结分析。表明：自然界中的仿生设计，为功能纺织品和服装的发展提供灵感；新型聚合物材料和微纳米科学技术的不断突破，为设计和开发功能纺织品和服装创造了条件。当前以生物启发设计为主题的功能纺织品与服装，正处于功能材料设计与织物集成技术之间的探索阶段，未来需要纺织加工技术、材料科学、美学设计学等不同领域的共同推进以赋予纺织品和服装更加丰富的功能。