神奇自然界：仿生复合材料设计（一）

生物仿生学正在塑造各种领域的可持续设计和创新。毛刺（左上）启发了尼龙搭扣，翠鸟（右上）为日本著名的子弹头列车的设计提供了参考，并有助于为涡轮机叶片引导进风，从螳螂虾（左下）中得到的启示正在生产更耐用的材料，津巴布韦的一个办公大楼的内部气候控制系统最初受到白蚁丘结构的启发（右下）。

在自然界38亿年进化的支持下，生物启发设计在功能化材料和复杂的优化结构中显示出其优势。它们在复合材料制造领域特别有用，诸如刚度、耐破坏性、抗疲劳性、导电性、自愈性和粘合性等特性，往往是人们所追求的，但并非总是容易结合。然而，也有一些例子。想想风轮机叶片，其锯齿状的前缘模仿鲸鱼鳍的小瘤以改善空气动力学。或者今天大多数商业飞机机翼上的鲨鳍小翼，其灵感来自大白鲨的背鳍。

几千年来，人类一直从大自然中获取设计线索。达芬奇早期飞行图导致了降落伞、尼龙搭扣和子弹头列车的发明，这些都是受生物启发的、人类制造结构和部件的几个例子，它们跨越了时代。然而，直到20世纪60年代末，美国学者和发明家Otto Schmitt才提出了生物仿生学的概念。Janine Benyus在她1997年出版的《生物仿生学：受自然启发的创新》一书中进一步普及了这一概念。Benyus也是生物仿生研究所（美国蒙大拿州米苏拉市）和生物启发咨询公司Biomimicry 3.8（前身是生物仿生协会）的共同创始人。

仿生学，或称生物仿生学，通常被定义为以生物实体和过程为模型的合成材料、结构和系统的设计和生产。虽然有些定义将生物仿生学描述为 "模仿 "或 "复制 "自然的一种方式，但其真正的意图是模仿--利用在自然界观察到的结构来指导和改进人造产品。还有一种做法是将生物材料（如生物衍生的天然纤维）应用于合成系统，以实现生物仿生特性。

作为一种跨学科的方法，生物仿生学可以并且已经应用于诸多领域，特别是因为可用的多样化和复杂的生物系统数量众多。复合材料行业在这一领域拥有自己的一手也就不足为奇。在自然界中发现的许多东西已经包括两种或多种组成材料之间的结合--例如木材和昆虫角质层--使得纤维增强复合材料非常适合生物模拟。

在这篇文章中，介绍了一些案例研究，强调了生物仿生学是如何被应用于复合材料设计的。

设计生物学概念时的考虑因素

Anisoprint公司（卢森堡）的首席执行官Fedor Antonov说，在许多情况下，大自然向我们展示的材料是各向异性的。因此，它们就像许多纤维增强复合材料一样，在不同的方向具有不同的特性。像木材、苍蝇翅膀和某些睡莲花瓣这样的结构已经发展出优雅的、负载优化的结构，以应对生存的环境。我们在自然界看到的是活组织、活材料，所有这些实际上都发展成了多尺度的分层复合材料。在这里，Antonov指的是由纤维素和胶原蛋白（一种蛋白质）等纤维组成的自然结构，但在每个几何尺度上，从纳米到宏观，以不同的方向组织，以高效的方式实现高水平性能和/或多功能。Antonov继续解释到，从自然界角度来看，一切都受最小能量原则支配，所以建造沉重和需要大量能量的结构是没有意义的。

合成工程材料（如复合材料）和天然材料的设计策略有一些明显的不同。生物结构的建造受到直接可用资源的限制--如氢、碳、氮、氧、磷和硫等轻质元素--而工程材料有更广泛的元素可供选择。虽然由此得出的自然结论是，更多的多样性意味着更多模仿生物设计和过程的能力，但在现实中，这可能变成一种障碍，因为工程材料并不总是能够以同样的方式使用某些元素。大自然也无法利用高温/高压加工技术来制造其结构，至少不会很快（煤和钻石需要千年时间）。相反，与合成材料加工不同，生物结构是在温和的条件下（环境温度和压力）产生的。这些考虑常常影响人类对自然界中的发现的层次结构的模仿。

人类努力建造坚硬、强大、寿命长的复合结构以抵御损伤，而生物体使用的元素和过程--更多的是为了生存和再现性而组织--实际上是通过稳定的裂纹扩展和/或自我修复机制来允许和控制损伤。这并不是说自然界更简单--相反，它最大限度地利用现有材料，用最少的能量和资源创造出具有独特机械、热和/或光学特性的惊人复杂结构和系统。这确实是复合材料目前寻求改善可持续性的一种方法。

材料的制造方式，无论是自然的或是机械的，都会影响到设计。自然界是由材料和有机体通过自我组装同时生长的，在这个过程中，无序的组件系统根据每个组件之间特定的、局部的相互作用形成了有组织的结构/模式。此外，即使在生产之后，这些结构也能够根据环境变化重塑和调整其层次结构。例如，植物能够根据栖息地的温度，在结构上调整与储水、遮荫和抵御捕食者有关的机制。

另外，工程师必须选择一种材料，然后根据设计中规定的参数制造零件，而且结构必须在其使用寿命中满足所有环境应力而不改变。工程师的生产环境要求也不同;自然界不像工业那样关心速率、成本和产量。

上面提到的分级设计在自然界中很常见。它涉及一个从纳米到宏观的不同层次的排列系统，每个层次提供自己的一系列功能——通常使用一种单一的材料，在每个层级的组织方式不同。多年来，人们在分层复合材料领域投入了大量的研究工作，无论是调整其化学成分还是改进其微/纳米级结构。珍珠岩，通常被称为珍珠母，是生物分层复合材料的一个例子，它吸引了复合材料界的兴趣超过20年，为增强抗断裂性的轻质复合材料的设计提供了强有力的指导方针。由于其重叠设计的结果，珍珠岩显示出了一种特殊的强度和非灾难性断裂行为的特殊组合，考虑到其主要成分是脆性碳酸钙，这是出人意料的。

即使有了这个例子，我们对分层复合的理解仍然处于早期阶段。与自然相比，它仍然代表着我们在复合材料设计方面的不足，影响了人类应用生物设计原则的能力。

例如，代尔夫特理工大学(Netherlands)生物灵感复合材料增材制造的副教授、塑造物质实验室创始人Kunal Masania说到，当你开始制造高性能复合材料时，你拥有的基本构件是一根7微米的碳纤维。在那里，你可以改变设计，以任何你想要的方向，用树脂填充……但天然材料，他们是在纳米尺度上工作，所以它是小三个数量级。大自然倾向于在这种规模上工作，因为驱动生产的是生物过程，构件是由活细胞组成的。

像木材或骨骼的结构，虽然分子简单，但结构更复杂，因此仍然难以模仿。木材纤维也就是纤维素纤维，是中空的。纤维沿着应力的方向移动，也与木纹横向。所以你有原始的木材纤维，但你也有纤维连接所有的纤维，所有的纤维在细胞上有小洞，称为“坑”，它们彼此连接。它们的整个结构完全相互渗透，复制这一点是一个巨大的挑战。

塑造物质实验室是代尔夫特理工大学航空航天工程学院的一个跨学科研究小组，专注于三个关键领域研究：生物灵感复合材料(即应用自然设计原则创建合成材料)；用活细胞和生物材料等原料生物合成复合材料；分层复合材料的数字化制造--使用数据为增材制造(AM)过程提供信息。

在过去的50年里，我们复合材料行业一直在试图弄清楚如何使它们(复合材料)更容易理解，更可靠，Masania说到。现在，除了增加更多类似生命的功能外，考虑寿命终结、和使复合材料循环利用变得更加重要。他指出，热塑性复合材料、可回收环氧树脂和多功能复合材料已成为当前效率和可持续性相关研究的焦点。他认为，我们正在接近可以被行业广泛采用的新解决方案。

为了实现生物合成复合材料，Masania团队使用现有的大宗天然材料，如木材或天然植物纤维，制造出半成品，然后加工成结构性复合材料。他说，通过这种做法，复合材料的刚度可达70 GPa，强度可达600 MPa，比传统的金属和玻璃纤维复合材料更好，在未来更可持续。Bcomp公司(瑞士)在汽车零部件中使用亚麻天然纤维，Bambooders公司(荷兰)采用可持续的方法用竹子制成生物基技术纤维，这些都是应用实例。