仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展

张蕊　郑莹莹　董正梅　张婷　沈利铭　王建　邹专勇

摘 要：为进一步推动仿生技术在纺织领域的应用，并拓宽仿生智能织品的应用领域，对近几年国内外仿生设计纺织品的研究和发展现状及应用进行综述。首先介绍了基于仿生设计的隔热纺织品，归纳了仿动物毛发中空结构、羽绒分支结构以及其他生物结构的隔热纺织品；简要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物结构的结构生色纺织品；然后分析了基于仿生设计的超疏水纺织品，总结了仿荷叶、水黾腿以及其他生物结构的超疏水纺织品；阐述了受人体皮肤结构启发的智能纤维以及受自然界中不同动植物结构启发的仿生智能传感纺织品；最后总结了仿生智能纺织品在多个领域的潜在应用，并展望其未来发展方向，以期为仿生设计智能纺织品的广泛应用提供理论和技术参考。

关键词：仿生设计；智能纺织品；隔热纺织材料；超疏水纺织品；结构生色纺织品；智能纤维

中图分类号：TS106 文献标志码：A 文章编号：1009-265X（2023）06-0226-15

自古以来，自然界就是人类各种技术灵感和重大发明的源泉。種类繁多的生物界经过亿万年的进化过程，使生物体具有优异的结构功能来适应环境的变化，从而得到生存和发展。人类长时间的生产实践促进了思维的发展，人类的智慧不仅仅停留在生存以及认识生物类群上，而且还运用人类所特有的思维向自然学习，并设计模仿生物结构或形态，通过创造性的劳动提高自身的能力［1-2］。人类从生物体优异的结构功能中获得启发，通过模仿生物体的结构、形态、功能和行为来解决当今所面临的技术问题［3-4］，是人类又一伟大的进步。

对于纺织行业而言，通过对纤维材料进行仿生设计是获得性能优异纺织品的一个重要方法［5-6］。智能仿生纺织品主要是受自然界生物体结构和性能的启发来设计的能对外部环境刺激做出反应的纺织品，使所制备的智能纺织品获得由这些特殊结构带来的优异功能［7-8］。随着智能技术和生物科学的不断进步，仿生技术已经有了很大的发展，仿生技术在纺织业中的应用也日渐广泛［9-10］。

本文对近年来国内外基于仿生设计原理的智能纺织品进行综合分析，介绍基于仿生设计的隔热纺织品，归纳仿动物毛发中空结构、羽绒分支结构以及其他生物结构的隔热纺织品；简要概述仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物结构的结构生色纺织品；然后分析基于仿生设计的超疏水纺织品，总结仿荷叶、水黾腿以及其他生物结构的超疏水纺织品；阐述受人体皮肤结构启发的智能纤维以及受自然界中不同动植物结构启发的仿生智能传感纺织品；最后总结仿生智能纺织品在多个领域的潜在应用，并展望其未来发展方向，以期为仿生设计智能纺织品的广泛应用提供理论和技术参考。

1 基于仿生设计的隔热纺织品

随着科技的进步，人们发现许多动物皮毛拥有特殊的内部结构，以具备优异的隔热保温性能。通过仿生技术，研制出可比拟动物毛发特殊结构的隔热保暖纤维，对开发高性能的隔热保温纺织品具有重要的借鉴意义。

1.1 仿生动物毛发中空结构的隔热纺织品

北极熊靠着厚厚的毛皮和脂肪层来抵御寒冷，它们的毛皮看似白色，皮却是半透明的，厚厚的毛皮也不止保温［11］，更是能够将阳光的热量传至皮肤。其毛发结构中空多孔，且壳层质密，如图1（a）所示，可以有效锁住空气，避免产生热对流，减少热量的流失，从而实现保温的功能［12］。因此，北极熊的毛发结构及其性能具有重要的参考价值。

许多科研人员仿北极熊毛发的微观结构制备出了人造中空纤维。如Wang等［13］采用冷冻纺丝技术制备了一种聚酰亚胺气凝胶纤维。通过冷冻纺丝技术获得具有对齐孔的聚（酰胺酸（PAA））纤维，通过冷冻干燥工艺之后，PAA纤维保留了其多孔结构，通过程序化热酰亚胺化工艺后，最后将PAA纤维转化为聚酰亚胺纤维，采用这种纤维编织的纺织品具有优异的隔热性能。类似地，Zhan等［14］通过溶液水热方法制备出具有超弹性和隔热

性能的宏观尺度碳管气凝胶（CTA），如图1（b）所示。其中使用碲纳米线（Te NWs）作为牺牲模板，所制备的CTA具有优异的抗疲劳机械性能和极低热导率的超绝热性能，在节能建筑、能量储存和航空航天等应用领域中有较大的发展前景［15］。除此之外，湿法纺丝工艺也是制备中空纤维较为常见的方法。Zhao等［16］采用湿法纺丝工艺制备了聚氨酯/聚偏氟乙烯仿生多孔纤维。该纤维包括定向亚纤维、纳米多孔皮层和管状孔，具有交叉尺度多孔网络的层状纤维结构。由仿生纤维编织的纺织品与皮革的孔径分布相似，因此具有优良的热绝缘性能。Wang等［17］采用湿法纺丝和聚合物溶液发泡相结合的方法制备了聚氨酯/聚丙烯腈中空泡沫纤维。制备的多孔热塑性聚氨酯/聚丙烯腈复合纤维具有优异的延展性，即使在压缩或拉伸变形下，相应的机织物仍表现出优良的热绝缘性能，为研制新型结构功能集成纤维隔热纺织材料铺平了道路。

同北极熊毛发相似，企鹅羽毛也是多孔结构，但企鹅羽毛的主轴内部为“泡沫状”的多孔结构［18］，如图2所示，其外部表面的孔径很小，这种多孔结构提高了其保温隔热的性能［19］。孙正等［20］以碳纤维为基底制备了一种基于仿生企鹅羽毛排布的防热复合材料，具有较好的隔热效果，能够承受高温、维持恒温、质量轻、强度高等优点。Ye等［21］受企鹅羽毛的启发，采用静电纺丝方法制备了聚丙烯腈/钛酸钡纳米颗粒冷却材料和聚丙烯腈/炭黑纳米颗粒加热材料的仿生双功能复合材料，如图3所示，实现了基于可穿戴织物的个人热管理和自驱动人机交互功能，对人机界面系统、可穿戴电子设备、生物医学、柔性机器人等领域产生了重大而深远的影响。

1.2 仿生羽绒分支结构的隔热纺织品

为了使织物具有良好的隔热效果，一种方法是通过中空结构的纤维捕获大量的空气以增加热阻，另一种方法是模仿羽绒的自然特性，开发具有特殊横截面形状的异性纤维织物［19］。其中鹅绒和鸭绒因其特殊的分叉结构和优越的保暖性能被广泛研究和应用于保暖隔热纺织品。鹅绒结构由一根粗主干纤维和大量细分支纤维组成［22］，如图4（a）所示。主干纤维提供机械支撑以确保鹅绒的结构稳定性，而分支纤维则能够固着更多的静态空气，起到保暖效果。尽管羽绒具有优异的性能，但有关人造羽毛类纤维制备的报道不多，现有的人造纤维均是在纤维上骨架上生长刚性无机或超分子分支来实现的。由于使用的材料刚性较高，纤维分支的长度有了很大的限制。为此，Xu等［23］采用一种可规模化生产方法制备了鹅绒状对位芳纶纤维及其非织造材料。通过弱碱溶液（低浓度的氢氧化钠水溶液）处理商用对位芳纶微米纤维，在化学水解和物理剪切力的共同作用下，对位芳纶纤维表面剥离生成了大量的纳米纤维分支，如图4（b）所示。鹅绒状纤维构成的非织造布具有典型的多尺度纤维形态、更大的比表面积和更小的孔径，也因此具有高隔热性能（导热系数为26.1 mW/（m·K））。杜邦公司采用以丙二醇为原料的聚合物和独特的生产工艺开发出一种新型保暖纤维［24］，该纤维材料的蓬松性、手感和保暖性接近天然羽绒纤维，且可以水洗、不钻绒，是天然羽绒理想的替代品。除了鹅绒之外，鸭绒同样表现出高度有序和分层的分支结构，隔热性能主要归功于其纳米尺度和分支结构中的捕获空气。

1.3 仿生其他生物结构的隔热纺织品

除了上述受北极熊和企鹅毛发、鹅绒鸭绒启发的隔热纺织材料外，还有其他的生物结构也可以作为制备仿生隔热材料的参考。Wang等［25］受沙漠中撒哈拉银蚁在极热条件下顽强的生存能力的启发，通过模仿其微米晶体棒形状的毛发合成了独特的六方氧化锌微棒，并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进一步涂覆在聚酯织物上，可以作为坚固的太阳能屏蔽

材料，具有潜在的广泛应用。除此之外，被誉为沙漠之舟的骆驼，可以适应恶劣的沙漠高温环境，主要是由于驼峰的特殊结构所致，其结构由外表皮肤、脂肪层和汗腺组成［26］，如图5（a）所示。当骆驼缺水时，身体会分解驼峰中的脂肪，使其转化为水分和能量；汗腺具有收缩和开放调节机制，在白天的高温环境下，最大限度减少水分通过汗腺进行蒸发，而到了夜晚气温下降时，则通过热交换的方式进行散热。

武漢纺织大学徐卫林院士团队［26］据此仿生设计了多层次结构的热防护与热管理纺织品，如图5（b）所示，在两层织物之间嵌入有序的热绝缘单元，可以有效地阻挡人体皮肤的热量散失。仿驼峰结构的层级织物具有更强的隔热能力，并能让液体通过分布式排汗通道持续单向流动。该织物同时显示出低热导率（0.0192 W/（m·K））、高透气性和透湿性。同时在极端条件下（约80 ℃），模拟皮肤覆盖的相对湿度和温度比传统的消防员制服低约20.6 ℃和约13.6%。

2 基于仿生设计的结构生色纺织品

色彩被运用于纺织品的各个方面。长期以来，通过对纺织品添加天然或化学染料而实现着色的方法是最普遍的彩色纺织品制备技术。然而，天然和化学染料着色却存在水资源消耗量大、对环境存在污染、颜色经长时间氧化后易褪色等问题。随着我国对绿色纺织品和生态纺织品发展的需求越来越迫切，由此产生了新型环保的结构生色技术，纺织品结构生色技术受到了纺织行业界研究者的密切关注［27-29］。

2.1 仿生Morphotex蝴蝶翅膀的结构生色纺织品

纺织品结构生色技术是一种无须用化学染料着色就能产生的颜色，其主要是由于物体本身结构的存在对光产生了反射、衍射、干涉等物理作用产生的颜色［30-31］。日本帝人公司利用生活在亚马逊河流域的闪蝴蝶翅膀产生结构色的多层薄膜干涉原理，研发了光干涉显色纤维Morphotex。Liu等［32］制备了仿生的类似黑色素的聚多巴胺（PDA）纳米膜涂层，为了提高色牢度和避免开裂，采用含反应性环氧基团的聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯）（P（GMA-co-PEGMA））共聚物合成黏合剂来提高PDA结构彩色薄膜和丝绸织物之间的界面结合强度，促进了纺织品着色的发展。Yang等［33］通过改变不同的聚合反应时间在白色棉织物上制备聚多巴胺（PDA）膜，获得结构彩色棉织物。通过将含聚乙烯吡咯烷酮的内酰胺基团添加到具有邻苯二酚基团的PDA膜中以形成强氢键，提高了PDA装饰的结构彩色膜在棉织物上的色牢度，促进了结构着色在纺织品中的实际应用。除了通过化合物的聚合使织物生色外，热辅助自组装和重力沉降法也可以很好地使织物生色，如Lai等［34］采用热辅助自组装和重力沉降法制备了一种含氧化铜纳米颗粒和银纳米颗粒的聚苯乙烯胶体光子晶体彩色薄膜，由于铜和银材料比聚苯乙烯致密，因此金属纳米颗粒在基板底部的沉积物可以吸收散射光，从而产生生动的结构颜色，为纺织织物和仿生学的未来应用提供了可调的结构颜色。

除了上述两类生色的制备工艺之外，有一种生成结构颜色的激光写入方法，无需精确复制生物结构。Zyla等［35］提出了一种基于3D直接激光写入技术成功制造模仿Morphotex蝶形的层状纳米结构的方法，使用双光子聚合在单个光敏材料中创建变形圣诞树结构的自适应横截面几何形状，不需要精确复制其表面结构，仅仅是模仿蝴蝶生物的空气和表皮尺寸的层状纳米结构，如图6所示，就可以生成结构颜色。结构生色纤维和纺织品的最大优点在于它不会像普通印染纤维和纺织品一样出现褪色的现象，而且3D直接激光写入技术可以产生多种不同的颜色，该技术为结构生色纺织品提供了新的思路。

2.2 仿生其他生物结构的结构生色纺织品

孔雀羽毛和宝石甲虫翅膀呈现出各种各样的颜色，给人一种天然的美感，其内部结构也有其特殊性。据研究人员发现，它们内部黑色素颗粒的周期性排列导致光的干涉，黑色颗粒能够吸收散射光，从而产生明亮的结构色［36］。如图7（a）所示，在孔雀羽毛内部，棒状黑色素颗粒形成周期性的微观结构，吸收散射光并产生明亮的结构色［37-39］。此外，宝石甲虫翅膀的闪亮绿色是来自多层干涉的典型结构色，如图7（b）所示，大约有20层黑色素和角质层交替堆叠，结构色清晰可见，其中微结构中的黑色素层适当吸收散射光［40-41］。因此，聚多巴胺（PDA）作为一种黑色素模拟材料引起了人们的关注。Fang等［42］提出了一种基于高色牢度PDA结构色纳米膜的环保型纺织品染色新方法，通过多巴胺的聚合反应在棉织物上成功制备了PDA纳米膜结构色。该研究促进了纺织工业领域的清洁染色。Zhu等［43］采用硫酸铜（CuSO4）/过氧化氢（H2O2）诱导法在真丝织物表面构建均匀的PDA-黑色素膜，通过控制不同上层膜的厚度，制备了黄、红、蓝、绿色四种不同结构的彩色薄膜。其中由于PDA-黑色素聚集体纳米颗粒的独特排列和强烈的光吸收特性，所获得具有结构色的织物不依赖于角度，具有优异的颜色可见性。该方法制备不需要任何染料，颜色均匀，为织物结构色的功能性整理提供了新的思路和理论依据。

3 基于仿生设计的超疏水纺织品

超疏水纺织品因其表面防水、防污、自清洁等特性，在日常生活、医药卫生、工农业生产、能量转换和环境保护等各个领域有广泛具有的应用。研究发现自然界中的荷叶表面、蝴蝶翅膀及水鸟羽毛等因具备优异的超疏水性能，可以达到自清洁功能，其核心是具有特殊“微纳”的粗糙结构，而有效利用仿生技术设计并构建出耐久的“微纳”的结构是超疏水纺织品改性的关键。

3.1 仿生荷叶结构的超疏水纺织品

早期的疏水性材料主要用于人们生活防护上，如雨鞋、雨衣、雨伞等。随着功能性纺织品的不断发展，疏水性材料在织物上的应用也越来越广。最典型的疏水表面是以荷叶为代表的自清洁功能的植物，通过对荷叶微观结构的分析［44］，研究者发现荷叶的自清洁功能不仅源于粗糙表面上微米级的乳突结构及表面蜡晶，还因为荷叶表面微米结构乳突上存在着纳米结构，这种微米结构和纳米结构相结合的多级结构是荷叶表面具有自清洁功能的根本原因［45-46］。正是这种具有自清洁功能的纳米结构，成为科学界热门的研究对象。

抗机械能力弱是织物超疏水性能的痛点，研究人员纷纷尝试不同的材料及方法来制备机械耐久性超疏水织物，如Wang等［47］利用烟道气废弃物-粉煤灰制备了多功能超疏水织物，该织物具有优异的超疏水性、自清洁性、抗机械能力、光催化性以及自熄阻燃性能，在许多领域中有较广阔的发展前景。Foorginezhad等［48］采用喷雾法制备了稳定的无氟超疏水棉，将制备的乙烯基改性的二氧化钛水溶胶喷涂在平纹棉织物上，然后将PDMS溶液喷涂在经改性的二氧化钛涂布的织物上，从而制备了超疏水性海绵。该织物具有优异的自清洁性、化学稳定性以及耐久性，在日常生活中可以用作防水和自清洁服装。Zhang等［49］采用一锅浸渍法，将棉织物浸入多巴胺、硝酸银、十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中制备了超疏水棉织物，其接触角可达163.5°±1.5°，油水分离效率高达97%，因此该织物具有良好的机械性能、化学性能和稳定性，可以重复用于油水分离。

实现织物的超疏水性能还可以对织物表面进行改性以形成微纳米多级结构，以此来提高疏水性能［50］。Cheng等［51］采用环境友好的酶蚀刻法对织物表面进行微纳结构粗糙化，然后通过热化学气相沉积工艺用甲基三氯硅烷对其进行改性，构造了复合超疏水真丝织物，如图8所示。该织物具有良好的自清洁性能和机械耐久性，且对织物的光泽、色泽、柔软性等性能影响较小。He等［52］提出了一种通过原位氟化诱导的径向聚合在商业聚酯织物上的新型表面设计策略。通过与甲基丙烯酸三氟乙酯和二乙烯基苯的径向引发接枝共聚，将具有双键的超支化纳米二氧化硅共价接枝到表面，所获得的超疏水织物显示出优异的耐久性和憎水性。此外，聚倍半硅氧烷超疏水整理也是一种微结构疏水方案，POSS是一种新型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，它特殊的纳米结构、纳米尺寸效应、交联效应及对聚合物的有效改性，吸引着人们极大关注。因此Hou等［53］采用光诱导巯基-烯点击化学方法，利用巯基硅烷对纤维进行表面改性，再与甲基丙烯酰-七异丁基半硅氧烷（MAPOSS）进行点击偶联，增加了织物的表面粗糙度，降低了织物的表面能，成功制备了基于多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）的超疏水织物，如图9所示。该织物具有优异的耐腐蚀性、耐紫外线、耐高温、耐超声波洗涤以及耐机械磨损性能。

3.2 仿生水黾腿结构的超疏水纺织品

在自然界中，除了众所周知的仿荷叶结构所制备的超疏水纺织品外，还一些具有层次结构和粗糙度的动物表面可以产生显著的超疏水性。如水黾具有在水面上站立行走而不被浸湿的能力。Gao等［54］表明，水黾腿部由大量细微纳米凹槽的定向微小毛發覆盖，并覆盖有角质层蜡，如图10所示，使腿部表面防水，并使它们能够在水面上快速站立和行走。因此，启发于水黾腿纤维结构，在

织物表面上形成纳米分层结构也可以提供超疏水能力，如Gao等［55］提出了微米和纳米级分层二氧化硅颗粒涂覆在织物上以实现超疏水仿生表面结构。采用溶胶-凝胶法获得各种尺寸的溶胶颗粒，通过低温两步涂布工艺对织物进行涂布，由于考虑到含氟化合物基团对环境和健康存在潜在危害，选择长链烷基硅烷作为低表面能剂，对粗糙处理后的织物表面进行改性，所得的织物具有优异的疏水性。

3.3 仿生其他生物结构的超疏水纺织品

科学家通过研究壁虎脚、蚊子腿以及蛾翅膀等其他生物的内部结构，指出其表面结构是由微米/纳米级双重结构组成，这种微米/纳米级双重结构正是其超疏水性的原因。因此，研究人员们通过采用各种方法在织物表面形成微米/纳米级双重结构从而使其具有超疏水性能。如Pan等［56］采用原位生长和浸涂法，在棉织物上制备了一种耐久、稳定的聚二甲基硅氧烷（PDMS）-硬脂酸铜（CuSA2）超疏水涂层，从而制备了耐久性超疏水织物。制备过程无复杂工序，所用原料较为廉价。该织物显示出良好的超疏水性能，其接触角为158°，同时具有良好的机械耐久性。此外，Yan等［57］受黑色素和海洋贻贝的启发，通过快速氧化聚合将多巴胺在短时间内涂覆在真丝织物上，并通过聚多巴胺二级反应平台将Fe2+接枝到织物表面，制备了具有超疏水性，阻燃性和抗紫外性的真丝织物。

4 基于仿生设计的智能传感纺织品

随着仿生设计和智能传感纺织材料的结合，智能纺织传感器在防护、体育、医疗、军事等领域有着巨大的发展潜力［58］，为此成为研究者关注的焦点。Zhu等［59］制备了一种多孔结构的碳纳米管/炭黑-聚氨酯涂层的织物和导电尼龙纤维叉指电极图案化的织物组装而成的压力传感器，该传感器具有高灵敏度、短响应时间和宽感测范围，可以与人体表面稳定贴合，以实现生理信号监测。

4.1 受人体皮肤结构启发的智能纤维

皮肤是人体最大的器官，它可以通过不同的皮下组织，根据外界产生的信息直接与外界相互作用，从而通过神经中枢完成对不同信息的感觉过程。受此启发，Zhang等［60］利用天然纤维素的自组装方法形成多孔超分子纤维网络，设计了一种新型的具有皮肤特性的纤维素仿生水凝胶（CBH），该水凝胶显示出优良的特性，如高拉伸性和强度、低模量、优异的弹性以及良好的生物相容性，可作为灵敏可靠的应变传感器用于人体运动监测。此外，在水性环境中实现了稳定的信号输出。Wang等［61］报道了一种基于自组装策略的新型离子诱导技术，通过湿法纺丝法在凝固浴中形成具有仿生绒毛状表面的纤维，然后加入羟基脲进行特殊的银镜反应，得到Ag/AgCl/PEDOT：PSS复合纤维具有稳定的三层核壳结构，如图11所示。仿生Ag/AgCl/PEDOT：PSS复合纤维具有双向响应性和增强的灵敏度，并对反复的外部应力表现出优异的稳定性，利用其组装的压力传感器，可以用于小应力的监测、柔性机器人、医学假肢等方面。

Ghosh等［62］使用大面积且结构稳定的鱼胶纳米纤维（GNF）制备了生物电子皮肤， 可以监测从低频细微压力（例如手腕脉搏）到高频剧烈的人体运动，在自主表皮电子设备、可植入医疗设备、外科手术、电子保健监测、体外和体内诊断中具有潜在的广泛应用。此外，利用互锁结构也是提高传感器灵敏度的方案，Ha等［63］制备了具有梯度刚度的分级纳米孔和互锁微脊结构聚合物（P（VDF-TrFE）），组装成无间隔层、超薄、高灵敏度以及耐磨的摩擦电传感器（TES），如图12所示，该传感器可用于发电和监测人体生命体征、实时身体运动以及语音识别，可在恶劣环境中正常使用，这有助于其在可穿戴健康监测设备、自我诊断系统、生物识别安全系统、假肢、康复设备和机器人中的广泛应用。

4.2 仿生其他生物结构的智能纤维

一些智能织物上的敏感单元不是天然和固有的，大多通过某些物质的相互反应或氧化还原形成的［64］，如何通过简便快捷的制备方案构建智能纤维的敏感单元仍是个挑战。扬州大学高强副教授研究组［65］模仿蜘蛛绒毛开发了一种离子诱导的自组装方法，在聚（3，4-乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）纤维连续大规模制备的同时构筑具有均匀阵列结构的纤维表面，成功获得具有绒毛状表面的导电PEDOT：PSS-Cu2+纤维，如图13所示。该方法不需要后处理或苛刻的反应条件，基于传统的湿法纺丝过程，在水-乙醇的凝固浴体系中引入Cu2+，PEDOT：PSS纤维表面即可自发形成绒毛状的微结构。使其具有良好的压力灵敏度、超低的检测限和快速的响应时间，为制备可穿戴电子产品仿生纤维提供了新机会。

Niu等［66］受苍耳子“枝-籽-刺”三维层次结构的启发，采用三步低温水热法制备了P（VDF-TrFE）纤维-TiO2柱-TiO2刺结构（FPTS），用于构建仿生电子皮肤，如图14所示。FPTS电子皮肤具有高灵敏度、宽压力传感范围、超快响应/弛豫时间、高压力分辨率和出色的长期耐用性，为柔性电子和智能感知领域带来新的启示。Luo等［67］报道了一种将罗纹织物和玫瑰花瓣巧妙结合采用自封装方法制备了三明治结构的柔性触觉传感器，该传感器具有高灵敏度（<1 kPa-1，0.145 kPa-1）、宽检测范围（0～80 kPa）、快速响应恢复（13.4 ms）和良好的稳定性（超过7000次循环），是人体物理康复、运动检测、人机交互等应用的理想选择。

在生态系统中，鱼鳞和穿山甲鳞片都有较强的防护作用，其表面具有一定的曲率变化，虽不光滑，但它们是典型的双向等强度的板壳结构，较坚固耐磨。Niu等［68］受生物体重叠结构的启发，采用工业化全成型编织技术制作出仿生鳞片针织织物，如图15所示，该织物具有柔性的运动的监测和刚性的表面保护功能，满足了防护性和柔韧性的矛盾需求，为多功能可穿戴设备在能量采集、自供电传感和人体健康保护等领域提供一个很有前景的研究方向。

5 结 论

从自然界生物体的形态和结构中得到启发，利用仿生方法，设计并制备出各种功能的纺织品已经成为智能纺织品设计中的重要组成部分。目前仿生智能纺织品的应用不仅仅是满足人们对服装的基本需求，同时也要满足服装的多功能需求。本文通过对近年来仿生设计在智能纺织品中的研究进行回顾分析，从自然界生物体结构入手，介绍了基于仿生设计的隔热纺织品，归纳了仿动物毛发中空结构、羽绒分支结构以及其他生物结构的隔热纺织品；简要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物结构的结构生色纺织品；然后分析了基于仿生设计的超疏水纺织品，总结了仿荷叶、水黾腿以及其他生物结构的超疏水纺织品；阐述了受人体皮肤结构启发的智能纤维以及受自然界中不同动植物结构启发的仿生智能传感纺织品。利用仿生设计开发的纺织品正向智能化方向发展，并将在人们的日常生活和社会发展中发挥出更大的作用。

通过总结和分析，未来相关研究发展方向可从以下3个方面展开：a）构造多功能仿生智能纺织品，目前仿生智能纺织品的功能性较为单一，若将仿生设计的保暖、超疏水、结构生色、智能传感等功能性纺织品有机结合起来，使纺织品同时具有多种功能，以满足人们多方面的应用需求；b）随着仿生智能纺织品的发展，不应局限于单一的纺织行业，可以将纺织、计算机、物理、化学等专业技术融于一体，以实现更多的可能，进一步向医疗、建筑、航天、军事等领域多方面发展；c）虽然目前关于仿生智能纺织品的研究较多，但很少实现大规模产业化，未来研究方向还需高效便捷的产业化开发方案，制备性能稳定的多功能仿生智能纺织品，以实现工业化和产业化。

参考文献：

［1］VINCENT J F V. Stealing ideas from nature［M］//Pellegrino S.Deployable Structures. Vienna： Springer Vienna， 2001： 51-58.

［2］ROTH R R. The foundation of bionics［J］. Perspectives in Biology and Medicine， 1983， 26（2）： 229-242.

［3］顧振亚，田俊莹，牛家嵘.仿真与仿生纺织品［M］.北京：中国纺织出版社，2007：3-20.

GU Zhenya， TIAN Junying， NIU Jiarong. Simulation and Bionic Textiles［M］. Beijing： China Textile & Apparel Press， 2007： 3-20.

［4］TROTTA M G. Bio-inspired design methodology［J］. International Journal of Information Science， 2012， 1（1）： 1-11.

［5］DAS S， BHOWMICK M， CHATTOPADHYAY S K， et al. Application of biomimicry in textiles［J］. Current Science， 2015， 109（5）： 893.

［6］EADIE L， GHOSH T K. Biomimicry in textiles：Past， present and potential. An overview［J］. Journal of the Royal Society Interface， 2011， 8（59）： 761-775.

［7］DAS S， SHANMUGAM N， KUMAR A， et al.Review：Potential of biomimicry in the field of textile technology［J］. Bioinspired， Biomimetic and Nanobiomaterials， 2017， 6（4）： 224-235.

［8］WEERASINGHE D U， PERERA S， DISSANAYAKE D. Application of biomimicry for sustainable functionalization of textiles： Review of current status and prospectus［J］. Textile Research Journal， 2019， 89（19/20）： 4282-4294.

［9］REN L Q， LIANG Y H. Preliminary studies on the basic factors of bionics［J］. Science China Technological Sciences， 2014， 57（3）： 520-530.

［10］DI J T， ZHANG X H， YONG Z Z， et al. Carbon-nanotube fibers for wearable devices and smart textiles［J］. Advanced Materials， 2016， 28（47）： 10529-10538.

［11］TAO P， SHANG W， SONG C Y， et al. Bioinspired engineering of thermal materials［J］. Advanced Materials， 2015， 27（3）： 428-463.

［12］CUI Y， GONG H X， WANG Y J， et al. A thermally insulating textile inspired by polar bear hair［J］. Advanced Materials， 2018， 30（14）： 1706807.

［13］WANG Y J， CUI Y， SHAO Z Y， et al. Multifunctional polyimide aerogel textile inspired by polar bear hair for thermoregulation in extreme environments［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 390： 124623.

［14］ZHAN H J， WU K J， Hu Y L， et al. Biomimetic carbon tube aerogel enables super-elasticity and thermal insulation［J］. Chem， 2019， 5（7）： 1871-1882.

［15］CHEN C J， HU L B. Super elastic and thermally insulating carbon aerogel： Go tubular like polar bear hair［J］. Matter， 2019， 1（1）： 36-38.

［16］ZHAO Y C， FANG F. A biomimetic textile with self-assembled hierarchical porous fibers for thermal insulation［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 14（22）： 25851-25860.

［17］WANG L， CHI W L， LIU C Y， et al. Large-scalable polar bear hair-like cellular hollow fibers with excellent thermal insulation and ductility［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2022， 139（42）： e53018.

［18］METWALLY S，MARTNEZ COMESAA S， ZARZYKA M， et al. Thermal insulation design bioinspired by microstructure study of penguin feather and polar bear hair［J］. Acta Biomaterialia， 2019， 91： 270-283.

［19］周長年，吴鹏飞.仿生智能温控纤维及织物的研究进展［J］.纺织导报，2022（5）：57-60.

ZHOU Changnian， WU Pengfei. Advances in intelligent temperature-controlled biomimetic fibers and fabrics［J］. China Textile Leader， 2022（5）： 57-60.

［20］孙正，单忠德，王尧尧，等.一种基于仿生企鹅羽毛排布的防热复合材料及其制备方法：CN114714689A［P］.2023-03-31.

SUN Zheng， SHAN Zhongde， WANG Yaoyao， et al. A heat-resistant composite material based on bionic penguin feather arrangement and its preparation method： CN114714689A［P］. 2023-03-31.

［21］YE G M， WAN Y F， WU J M， et al. Multifunctional device integrating dual-temperature regulator for outdoor personal thermal comfort and triboelectric nanogenerator for self-powered human-machine interaction［J］. Nano Energy， 2022， 97： 107148.

［22］GAO J， YU W D， PAN N. Structures and properties of the goose down as a material for thermal insulation［J］. Textile Research Journal， 2007， 77（8）： 617-626.

［23］XU K L， DENG J X， TIAN G L， et al. Downy feather-like para-aramid fibers and nonwovens with enhanced absorbency， air filtration and thermal insulation performances［J］. Nano Research， 2022， 15（6）： 5695-5704.

［24］赵国玲.生物绒革新防寒服填充物市场［J］.纺织服装周刊，2014（9）：77.

ZHAO Guoling. Biofleece revolutionizes the market for cold-weather clothing fillings［J］. Textile Apparel Weekly， 2014（9）： 77.

［25］WANG Y X， SHANG S M， CHIU K L， et al. Mimicking Saharan silver ant’s hair： A bionic solar heat shielding architextile with hexagonal ZnO microrods coating［J］. Materials Letters， 2020， 261： 127013.

［26］XU D， CHEN Z， LIU Y C， et al. Hump-Inspired hierarchical fabric for personal thermal protection and thermal comfort management［J］. Advanced Functional Materials， 2023， 33（10）： 2212626.

［27］韩朋帅，鲁鹏，刘国金，等.纺织品结构生色的研究进展［J］.丝绸，2021，58（3）：41-50.

HAN Pengshuai， LU Peng， LIU Guojin， et al. Research progress of bio-structural coloration on textiles［J］. Journal of Silk， 2021， 58（3）： 41-50.

［28］武萁，祝成炎，李启正，等.功能与色彩仿生纺织品的研究进展与应用趋势［J］.纺织导报，2020（10）：50-52.

WU Qi， ZHU Chengyan， LI Qizheng， et al. Research progress and application trend of functional and color bionic textiles［J］. China Textile Leader， 2020（10）： 50-52.

［29］王曉辉，刘国金，邵建中.纺织品仿生结构生色［J］.纺织学报，2021，42（12）：1-14.

WANG Xiaohui， LIU Guojin， SHAO Jianzhong. Biomimetic structural coloration of textiles［J］. Journal of Textile Research， 2021，42（12）： 1-14.

［30］DIAO Y Y， LIU X Y， TOH G W， et al. Multiple structural coloring of silk-fibroin photonic crystals and humidity-responsive color sensing［J］. Advanced Functional Materials， 2013， 23（43）： 5373-5380.

［31］SUN J Y， BHUSHAN B， TONG J. Structural coloration in nature［J］. RSC Advances， 2013， 3（35）： 14862-14889.

［32］LIU X H， LIU H L， ZHENG H L， et al. Biomimetic fabrication of melanin-like polydopamine nanofilm coating for structural colorization of textile［J］. Progress in Organic Coatings， 2021， 152： 106138.

［33］YANG H Y， ZHOU J Y， DUAN Z J， et al. Preparation of structural color on cotton fabric with high color fastness through multiple hydrogen bonds between polyphenol hydroxyl and lactam［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 14（2）： 3244-3254.

［34］LAI C F. Colloidal photonic crystals containing copper-oxide and silver nanoparticles with tunable structural colors［M］//Advances in Colloid Science. London： IntechOpen， 2016.

［35］ZYLA G， KOVALEV A， GRAFEN M， et al. Generation of bioinspired structural colors via two-photon polymeri-zation［J］. Scientific Reports， 2017， 7： 17622.

［36］KOHRI M. Progress in polydopamine-based melanin mimetic materials for structural color generation［J］. Science and Technology of Advanced Materials， 2020， 21（1）： 833-848.

［37］YOSHIOKA S， KINOSHITA S. Effect of macroscopic structure in iridescent color of the peacock feathers［J］. FORMA-TOKYO-Citeseer， 2002， 17： 169-181.

［38］ZI J A， YU X D， LI Y Z， et al. Coloration strategies in peacock feathers［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2003， 100（22）： 12576-12578.

［39］LI Y Z， LU Z H， YIN H W， et al. Structural origin of the brown color of barbules in male peacock tail feathers［J］. Physical Review E， 2005， 72（1）： 010902.

［40］YOSHIOKA S， KINOSHITA S， IIDA H， et al. Phase-adjusting layers in the multilayer reflector of a jewel beetle［J］. Journal of the Physical Society of Japan， 2012， 81（5）： 054801.

［41］SCHENK F， WILTS B D， STAVENGA D G. The Japanese jewel beetle：A painter's challenge［J］. Bioinspiration & Biomimetics， 2013， 8（4）： 045002.

［42］FANG Y C， LIU X H， ZHENG H L， et al. Eco-friendly colorization of textile originating from polydopamine nanofilm structural color with high colorfastness［J］. Journal of Cleaner Production， 2021， 295： 126523.

［43］ZHU X W， YAN B B， YAN X J， et al. Fabrication of non-iridescent structural color on silk surface by rapid polymerization of dopamine［J］. Progress in Organic Coatings， 2020， 149： 105904.

［44］WEI D W， WEI H Y， GAUTHIER A C， et al. Superhydrophobic modification of cellulose and cotton textiles： Methodologies and applications［J］. Journal of Bioresources and Bioproducts， 2020， 5（1）： 1-15.

［45］BHUSHAN B， JUNG Y C. Natural and biomimetic artificial surfaces for superhydrophobicity， self-cleaning， low adhesion， and drag reduction［J］. Progress in Materials Science， 2011， 56（1）： 1-108.

［46］YAO H， XIE Z L， HUANG C H， et al. Recent progress of hydrophobic cement-based materials： Preparation， characterization and properties［J］. Construction and Building Materials， 2021， 299： 124255.

［47］WANG Y C， PENG S， SHI X M， et al. A fluorine-free method for fabricating multifunctional durable superhydro-phobic fabrics［J］. Applied Surface Science， 2020， 505： 144621.

［48］FOORGINEZHAD S， ZERAFAT M M. Fabrication of stable fluorine-free superhydrophobic fabrics for anti-adhesion and self-cleaning properties［J］. Applied Surface Science， 2019， 464： 458-471.

［49］ZHANG H， ZHAO G， OU J， et al. Superhydrophobic cotton fabric based on polydopamine via simple one-pot immersion for oil water separation［J］. Chinese Journal of Materials Research， 2022， 36（2）： 114-122.

［50］馬菡婧，尚淼，何源.仿生设计的功能纺织品和服装的研究进展［J］.毛纺科技，2020，48（7）：84-88.

MA Hanjing， SHANG Miao， HE Yuan. Development of bio-inspired functional textiles and clothes［J］. Wool Textile Journal， 2020，48（7）： 84-88.

［51］CHENG Y， ZHU T X， LI S H， et al. A novel strategy for fabricating robust superhydrophobic fabrics by environ-mentally-friendly enzyme etching［J］. Chemical Enginee-ring Journal， 2019， 355： 290-298.

［52］HE T J， CHEN X Y， WANG Y X， et al. Fabrication of durable superhydrophobic surfaces of polyester fabrics via fluorination-induced grafting copolymerization［J］. Applied Surface Science， 2020， 515： 146006.

［53］HOU K， ZENG Y C， ZHOU C L， et al. Facile generation of robust POSS-based superhydrophobic fabrics via thiol-ene click chemistry［J］. Chemical Engineering Journal， 2018， 332： 150-159.

［54］GAO X F， JIANG L. Water-repellent legs of water striders［J］. Nature， 2004， 432（7013）： 36.

［55］GAO J， LIU J， XU R F， et al. Micro-nanostructure-based super-hydrophobic surface on cotton fabric［J］. Textile Research Journal， 2018， 88（22）： 2602-2610.

［56］PAN G M， XIAO X Y， YE Z H. Fabrication of stable superhydrophobic coating on fabric with mechanical durability， UV resistance and high oil-water separation efficiency［J］. Surface and Coatings Technology， 2019， 360： 318-328.

［57］YAN B B， ZHOU Q Q， ZHU X W， et al. A superhy-drophobic bionic coating on silk fabric with flame retardancy and UV shielding ability［J］. Applied Surface Science， 2019， 483： 929-939.

［58］WANG Y. Research on flexible capacitive sensors for smart textiles［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2022， 2181（1）： 012038.

［59］ZHU H， DAI S P， CAO J， et al. A high-performance textile pressure sensor based on carbon black/carbon nanotube-polyurethane coated fabrics with porous structure for monitoring human motion［J］. Materials Today Communications， 2022， 33： 104541.

［60］ZHANG D H， JIAN J Y， XIE Y T， et al. Mimicking skin cellulose hydrogels for sensor applications［J］. Chemical Engineering Journal， 2022， 427： 130921.

［61］WANG Y H， ZHU J D， SHEN M， et al. Three-layer core-shell Ag/AgCl/PEDOT： PSS composite fibers via a one-step single-nozzle technique enabled skin-inspired tactile sensors［J］. Chemical Engineering Journal， 2022， 442： 136270.

［62］GHOSH S K， ADHIKARY P， JANA S， et al. Electrospun gelatin nanofiber based self-powered bio-e-skin for health care monitoring［J］. Nano Energy， 2017， 36： 166-175.

［63］HA M， LIM S， CHO S， et al. Skin-inspired hierarchical polymer architectures with gradient stiffness for spacer-free， ultrathin， and highly sensitive triboelectric sensors［J］. ACS Nano， 2018， 12（4）： 3964-3974.

［64］LU Y， AIMETTI A A， LANGER R， et al. Bioresponsive materials［J］. Nature Reviews Materials， 2017， 2： 16075.

［65］WANG P， WANG M X， ZHU J D， et al. Surface engineering via self-assembly on PEDOT： PSS fibers： Biomimetic fluff-like morphology and sensing application［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 425： 131551.

［66］NIU H S， LI H， LI Y， et al. Cocklebur-inspired “branch-seed-spininess” 3D hierarchical structure bionic electronic skin for intelligent perception［J］. Nano Energy， 2023， 107： 108144.

［67］LUO Z B， DUAN J P， XU H C， et al. Flexible capacitive pressure sensor based on an embedded rib fabric with a bionic sloping petal structure［J］. IEEE Sensors Journal， 2021， 21（18）： 20119-20128.

［68］LUO Z B， DUAN J P， XU H C， et al. Industrial production of bionic scales knitting fabric-based triboelectric nanogenerator for outdoor rescue and human protection［J］. Nano Energy， 2022， 97： 107168.

Application andresearch progress of bionic design in smart textiles

ZHANG Rui1， ZHENG Yingying1， DONG Zhengmei1， ZHANG Ting2， SHEN Liming2， WANG Jian1，3， ZOU Zhuanyong1

Abstract： The textile industry in China， where both the economy and technology are rising quickly， has a new market thanks to bionic technology. The fusion of fabric and bionic technology to create electronic fabrics with various functions， such as thermal insulation， structural color generation， and superhydrophobicity， is anticipated to play a significant role in the fields of health detection， intelligent medical care， motion monitoring， and human-computer interaction in a variety of smart wearable devices.

Bionic design of fiber materials is a key strategy for the textile industry to produce textiles with superior qualities.To acquire the excellent functions brought about by these unique structures for the prepared smart textiles， smart bionic textiles are primarily designed to respond to external environmental stimuli inspired by the structure and characteristics of live organisms in nature. Bionic technology has advanced significantly as a result of the ongoing advancements in intelligent technology and biological science， and it is increasingly being used in the textile sector.

The most typical representatives of insulation textiles based on bionic design are polar bears and penguins， whose internal structure is showing a hollow porous structure， and this porous structure enhances their thermal insulation performance. The hollow structure of fibers traps a large amount of air to increase thermal resistance or mimics the internal structure of polar bear hair or penguin feathers to develop heterogeneous fiber fabrics with special cross-sectional shapes. Next there are down of animals such as geese and ducks， whose internal structure shows a branching structure and whose thermal insulation properties are mainly attributed to their nano-scale and the trapped air in the branching structure. An environmentally friendly structured color-generating technology has been developed as a result of China's pressing need for the development of green textiles and eco-textiles. The idea that the shimmering butterfly's wings in the Amazon River Basin produce structural color has a significant impact on how color is generated.

The most typical superhydrophobic textile based on bionic design is a plant with self-cleaning function， which is represented by lotus leaf and water strider leg. There is a nanostructure on the micron structure mastoid on the surface of lotus leaf. This combination of micron structure and nanostructure is the fundamental reason for the self-cleaning function on the surface of lotus leaf. A number of researchers have produced excellent superhydrophobic fabrics mimicking the structure of lotus leaves and water strider legs. The fibers， fabrics， and textile sensors created through the fusion of bionic design and smart sensing textile materials， inspired by the structure of living organisms like spider hair， pale ears， and human skin， have great potential for advancement in the fields of protection， sports， medicine， and military.

The use of bionic techniques to create textiles with a variety of purposes has grown to be a crucial component of smart textile design. These techniques are inspired by the shapes and structures of living organisms found in nature. The use of bionic smart textiles is currently expanding into the medical， aeronautical， and military industries in addition to serving people's clothing requirements. The structure and application areas of multifunctional bionic smart textiles need to be further explored， notwithstanding the impressive achievements that have been obtained by smart textiles createdby using bionic technology.

Keywords： bionic design; smart textiles; textile insulating material; superhydrophobic textiles; structural color textiles; smart fibre

收稿日期：20230223 網络出版日期：20230607

基金项目：绍兴文理学院研究生校级科研项目（Y20220706）

作者简介：张蕊（2000—），女，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事纤维基传感器件方面的研究。

通信作者：王建，E-mail： jwang@usx.edu.cn