生物仿生學(xué)正在塑造各種領(lǐng)域的可持續(xù)設(shè)計和創(chuàng)新。毛刺（左上）啟發(fā)了尼龍搭扣，翠鳥（右上）為日本著名的子彈頭列車的設(shè)計提供了參考，并有助于為渦輪機(jī)葉片引導(dǎo)進(jìn)風(fēng)，從螳螂蝦（左下）中得到的啟示正在生產(chǎn)更耐用的材料，津巴布韋的一個辦公大樓的內(nèi)部氣候控制系統(tǒng)最初受到白蟻丘結(jié)構(gòu)的啟發(fā)（右下）。

在自然界38億年進(jìn)化的支持下，生物啟發(fā)設(shè)計在功能化材料和復(fù)雜的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中顯示出其優(yōu)勢。它們在復(fù)合材料制造領(lǐng)域特別有用，諸如剛度、耐破壞性、抗疲勞性、導(dǎo)電性、自愈性和粘合性等特性，往往是人們所追求的，但并非總是容易結(jié)合。然而，也有一些例子。想想風(fēng)輪機(jī)葉片，其鋸齒狀的前緣模仿鯨魚鰭的小瘤以改善空氣動力學(xué)。或者今天大多數(shù)商業(yè)飛機(jī)機(jī)翼上的鯊鰭小翼，其靈感來自大白鯊的背鰭。

幾千年來，人類一直從大自然中獲取設(shè)計線索。達(dá)芬奇早期飛行圖導(dǎo)致了降落傘、尼龍搭扣和子彈頭列車的發(fā)明，這些都是受生物啟發(fā)的、人類制造結(jié)構(gòu)和部件的幾個例子，它們跨越了時代。然而，直到20世紀(jì)60年代末，美國學(xué)者和發(fā)明家Otto Schmitt才提出了生物仿生學(xué)的概念。Janine Benyus在她1997年出版的《生物仿生學(xué)：受自然啟發(fā)的創(chuàng)新》一書中進(jìn)一步普及了這一概念。Benyus也是生物仿生研究所（美國蒙大拿州米蘇拉市）和生物啟發(fā)咨詢公司Biomimicry 3.8（前身是生物仿生協(xié)會）的共同創(chuàng)始人。

仿生學(xué)，或稱生物仿生學(xué)，通常被定義為以生物實(shí)體和過程為模型的合成材料、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)。雖然有些定義將生物仿生學(xué)描述為 "模仿 "或 "復(fù)制 "自然的一種方式，但其真正的意圖是模仿--利用在自然界觀察到的結(jié)構(gòu)來指導(dǎo)和改進(jìn)人造產(chǎn)品。還有一種做法是將生物材料（如生物衍生的天然纖維）應(yīng)用于合成系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)生物仿生特性。

作為一種跨學(xué)科的方法，生物仿生學(xué)可以并且已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，特別是因?yàn)榭捎玫亩鄻踊蛷?fù)雜的生物系統(tǒng)數(shù)量眾多。復(fù)合材料行業(yè)在這一領(lǐng)域擁有自己的一手也就不足為奇。在自然界中發(fā)現(xiàn)的許多東西已經(jīng)包括兩種或多種組成材料之間的結(jié)合--例如木材和昆蟲角質(zhì)層--使得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常適合生物模擬。

在這篇文章中，介紹了一些案例研究，強(qiáng)調(diào)了生物仿生學(xué)是如何被應(yīng)用于復(fù)合材料設(shè)計的。

設(shè)計生物學(xué)概念時的考慮因素

Anisoprint公司（盧森堡）的首席執(zhí)行官Fedor Antonov說，在許多情況下，大自然向我們展示的材料是各向異性的。因此，它們就像許多纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一樣，在不同的方向具有不同的特性。像木材、蒼蠅翅膀和某些睡蓮花瓣這樣的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展出優(yōu)雅的、負(fù)載優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對生存的環(huán)境。我們在自然界看到的是活組織、活材料，所有這些實(shí)際上都發(fā)展成了多尺度的分層復(fù)合材料。在這里，Antonov指的是由纖維素和膠原蛋白（一種蛋白質(zhì)）等纖維組成的自然結(jié)構(gòu)，但在每個幾何尺度上，從納米到宏觀，以不同的方向組織，以高效的方式實(shí)現(xiàn)高水平性能和/或多功能。Antonov繼續(xù)解釋到，從自然界角度來看，一切都受最小能量原則支配，所以建造沉重和需要大量能量的結(jié)構(gòu)是沒有意義的。

合成工程材料（如復(fù)合材料）和天然材料的設(shè)計策略有一些明顯的不同。生物結(jié)構(gòu)的建造受到直接可用資源的限制--如氫、碳、氮、氧、磷和硫等輕質(zhì)元素--而工程材料有更廣泛的元素可供選擇。雖然由此得出的自然結(jié)論是，更多的多樣性意味著更多模仿生物設(shè)計和過程的能力，但在現(xiàn)實(shí)中，這可能變成一種障礙，因?yàn)楣こ滩牧喜⒉豢偸悄軌蛞酝瑯拥姆绞绞褂媚承┰?。大自然也無法利用高溫/高壓加工技術(shù)來制造其結(jié)構(gòu)，至少不會很快（煤和鉆石需要千年時間）。相反，與合成材料加工不同，生物結(jié)構(gòu)是在溫和的條件下（環(huán)境溫度和壓力）產(chǎn)生的。這些考慮常常影響人類對自然界中的發(fā)現(xiàn)的層次結(jié)構(gòu)的模仿。

人類努力建造堅(jiān)硬、強(qiáng)大、壽命長的復(fù)合結(jié)構(gòu)以抵御損傷，而生物體使用的元素和過程--更多的是為了生存和再現(xiàn)性而組織--實(shí)際上是通過穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展和/或自我修復(fù)機(jī)制來允許和控制損傷。這并不是說自然界更簡單--相反，它最大限度地利用現(xiàn)有材料，用最少的能量和資源創(chuàng)造出具有獨(dú)特機(jī)械、熱和/或光學(xué)特性的驚人復(fù)雜結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。這確實(shí)是復(fù)合材料目前尋求改善可持續(xù)性的一種方法。

材料的制造方式，無論是自然的或是機(jī)械的，都會影響到設(shè)計。自然界是由材料和有機(jī)體通過自我組裝同時生長的，在這個過程中，無序的組件系統(tǒng)根據(jù)每個組件之間特定的、局部的相互作用形成了有組織的結(jié)構(gòu)/模式。此外，即使在生產(chǎn)之后，這些結(jié)構(gòu)也能夠根據(jù)環(huán)境變化重塑和調(diào)整其層次結(jié)構(gòu)。例如，植物能夠根據(jù)棲息地的溫度，在結(jié)構(gòu)上調(diào)整與儲水、遮蔭和抵御捕食者有關(guān)的機(jī)制。

另外，工程師必須選擇一種材料，然后根據(jù)設(shè)計中規(guī)定的參數(shù)制造零件，而且結(jié)構(gòu)必須在其使用壽命中滿足所有環(huán)境應(yīng)力而不改變。工程師的生產(chǎn)環(huán)境要求也不同;自然界不像工業(yè)那樣關(guān)心速率、成本和產(chǎn)量。

上面提到的分級設(shè)計在自然界中很常見。它涉及一個從納米到宏觀的不同層次的排列系統(tǒng)，每個層次提供自己的一系列功能——通常使用一種單一的材料，在每個層級的組織方式不同。多年來，人們在分層復(fù)合材料領(lǐng)域投入了大量的研究工作，無論是調(diào)整其化學(xué)成分還是改進(jìn)其微/納米級結(jié)構(gòu)。珍珠巖，通常被稱為珍珠母，是生物分層復(fù)合材料的一個例子，它吸引了復(fù)合材料界的興趣超過20年，為增強(qiáng)抗斷裂性的輕質(zhì)復(fù)合材料的設(shè)計提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)方針。由于其重疊設(shè)計的結(jié)果，珍珠巖顯示出了一種特殊的強(qiáng)度和非災(zāi)難性斷裂行為的特殊組合，考慮到其主要成分是脆性碳酸鈣，這是出人意料的。

即使有了這個例子，我們對分層復(fù)合的理解仍然處于早期階段。與自然相比，它仍然代表著我們在復(fù)合材料設(shè)計方面的不足，影響了人類應(yīng)用生物設(shè)計原則的能力。

例如，代爾夫特理工大學(xué)(Netherlands)生物靈感復(fù)合材料增材制造的副教授、塑造物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人Kunal Masania說到，當(dāng)你開始制造高性能復(fù)合材料時，你擁有的基本構(gòu)件是一根7微米的碳纖維。在那里，你可以改變設(shè)計，以任何你想要的方向，用樹脂填充……但天然材料，他們是在納米尺度上工作，所以它是小三個數(shù)量級。大自然傾向于在這種規(guī)模上工作，因?yàn)轵?qū)動生產(chǎn)的是生物過程，構(gòu)件是由活細(xì)胞組成的。

像木材或骨骼的結(jié)構(gòu)，雖然分子簡單，但結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，因此仍然難以模仿。木材纖維也就是纖維素纖維，是中空的。纖維沿著應(yīng)力的方向移動，也與木紋橫向。所以你有原始的木材纖維，但你也有纖維連接所有的纖維，所有的纖維在細(xì)胞上有小洞，稱為“坑”，它們彼此連接。它們的整個結(jié)構(gòu)完全相互滲透，復(fù)制這一點(diǎn)是一個巨大的挑戰(zhàn)。

塑造物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室是代爾夫特理工大學(xué)航空航天工程學(xué)院的一個跨學(xué)科研究小組，專注于三個關(guān)鍵領(lǐng)域研究：生物靈感復(fù)合材料(即應(yīng)用自然設(shè)計原則創(chuàng)建合成材料)；用活細(xì)胞和生物材料等原料生物合成復(fù)合材料；分層復(fù)合材料的數(shù)字化制造--使用數(shù)據(jù)為增材制造(AM)過程提供信息。

在過去的50年里，我們復(fù)合材料行業(yè)一直在試圖弄清楚如何使它們(復(fù)合材料)更容易理解，更可靠，Masania說到?，F(xiàn)在，除了增加更多類似生命的功能外，考慮壽命終結(jié)、和使復(fù)合材料循環(huán)利用變得更加重要。他指出，熱塑性復(fù)合材料、可回收環(huán)氧樹脂和多功能復(fù)合材料已成為當(dāng)前效率和可持續(xù)性相關(guān)研究的焦點(diǎn)。他認(rèn)為，我們正在接近可以被行業(yè)廣泛采用的新解決方案。

為了實(shí)現(xiàn)生物合成復(fù)合材料，Masania團(tuán)隊(duì)使用現(xiàn)有的大宗天然材料，如木材或天然植物纖維，制造出半成品，然后加工成結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料。他說，通過這種做法，復(fù)合材料的剛度可達(dá)70 GPa，強(qiáng)度可達(dá)600 MPa，比傳統(tǒng)的金屬和玻璃纖維復(fù)合材料更好，在未來更可持續(xù)。Bcomp公司(瑞士)在汽車零部件中使用亞麻天然纖維，Bambooders公司(荷蘭)采用可持續(xù)的方法用竹子制成生物基技術(shù)纖維，這些都是應(yīng)用實(shí)例。