大自然是最偉大的匠師，它悄無聲息地在人們的生活中留下許許多多令人嘆為觀止的傑作。隨著仿生學的發展，大自然的傑作已逐一揭開神秘的面紗，進入人們的視線。仿生學是集動物學、物理學、化學、心理學和工程技術相結合的一門交叉科學。通過模擬自然界某物種的神奇構造和功能，人們能夠改進現有的機械結構、新材料、新儀器和工藝研究，創造出許多適用於生產、學習和人們生活的先進技術。在各個領域的研究中，仿生學一直是研究的熱點，經常活躍於各大頂刊。在這裡，精選了今年仿生學的部分成果，讓我們來一起揭開自然界的奧秘！
1.《AFM》：4D列印帶倒刺的仿生微針陣列！增強組織附著力！
自然界的某些生物具有高組織粘附力的微針，例如寄生蟲的微鉤、蜜蜂的尾刺針、豪豬的針毛。美國羅格斯大學Howon Lee和義大利比薩大學Giuseppe Barillaro合作團隊提出一種採用4D處理列印技術製造具有後向曲面倒鉤以增強組織附著力的仿生微針。結果表明，含有倒刺結構的仿生微針的組織附著力是普通微針的18倍，在經皮下給藥、組織傷口癒合、長期體內藥物傳遞和生物傳感方面具有豐富的應用前景
圖1 利用4D列印製備仿生微針
2.《Matter》：法向纖維增強的仿生鮣魚吸盤！
鮣魚能利用自己頭頂上的吸盤長時間穩定地吸附在其它海洋生物身上，如鯊魚、海龜和蝠鱝等，並藉助這些宿主生物到達遙遠的目的地，從而節省自身遊動所需的能量。北京航空航天大學材料科學與工程學院管娟副教授和機械工程及自動化學院文力教授等人探索了天然鮣魚唇圈組織和仿生吸附材料的內部結構-力學性能-吸附功能關係，為未來研究高吸附性能的天然和仿生材料提供參考，並有可能為未來黏附裝置，機器人的結構與柔性驅動等方面提供新的設計思路
圖2鮣魚及唇圈組織內的取向膠原纖維結構
3.《Science Advances》：仿獵豹迄今速度最快軟體機器人
柔性材料有一些天然缺陷，比如響應慢及力量小等，因此大多數軟機器人運動速度較為緩慢。而獵豹的脊背柔軟且富有彈性，通過拉伸背部肌肉來控制脊背的快速彎曲以及伸長，來實現高速奔跑。北卡州立大學尹傑教授團隊和科羅拉多州立大學趙建國教授以及紐約市立大學蘇浩教授團隊合作，通過巧妙利用雙穩態間的快速跳轉，實現了可以像獵豹一樣奔騰的快速奔跑軟機器人。既可以實現水下軟機器人的快速遊動，又可以用於可調節抓力的軟機器人抓手。
圖3雙穩態軟機器人設計圖
魚鱗具有非常堅韌的特點，給魚去鱗需刮除而非強行破壞。魚鱗是魚堅硬的盔甲，但鱗片在魚遊動時卻不會折斷。美國勞倫斯-伯克利國家實驗室、加州大學聖地牙哥分校和加州大學伯克利分校的研究團隊揭示了鯉魚魚鱗的多級結構及其在應力下對應的微觀結構變化是魚鱗堅韌之奧秘所在。研究人員目前正研究通過3D列印合成類鯉魚魚鱗結構的材料。這些材料有望製備質輕堅韌的護甲等。
圖4鯉魚魚鱗的整體結構
5.《AFM》：仿天然軟骨的雙層水凝膠實現高負載與低摩擦！
關節軟骨與滑液接觸的外部區域具有高的水含量，能最大程度地降低關節滑動摩擦；較厚的中部和深部區域，具有較高的膠原纖維密度，可提供表面下的接觸應力衰減。中科院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰團隊與英國帝國理工學院Daniele Dini團隊報導了一種模仿天然軟骨的雙層水凝膠材料。最頂層的軟聚合物層可提供有效的水性潤滑，而作為基材的硬水凝膠層可提供承重能力。這項工作為開發仿生軟骨的超低摩擦軟材料開闢了新的技術路線。
圖5 雙層水凝膠材料的製備
6.《Advanced Science》：樹蛙腳掌的多級微納界面溼增摩效應規律研究
樹蛙作為一種生活在溼環境的兩棲動物，其腳墊可在無需額外壓力下產生強溼粘附/溼摩擦。北京航空航天大學陳華偉教授課題組，在江雷院士、雒建斌院士、張德遠教授等的指導下，表徵了樹蛙腳掌表面的微納多級六稜柱及納凹坑結構，發現了生/機接觸過程中微納特徵結構/材質協同作用下的兩種特殊液膜界面效應，提出了強溼摩擦表面仿生設計方法，並將其應用到仿生手術夾鉗、仿生可穿戴傳感裝置上，驗證了仿生溼增摩的有效性。
圖6 樹蛙腳墊結構表徵
7.《Nature Materials》：螳螂蝦的抗衝擊結構揭秘！
螳螂蝦捕食時，能通過它「胳膊肘」的高應變率撞擊來破壞軟體動物的外殼，並且自身不受高應變率撞擊帶來的影響。美國加州大學河濱分校David Kisailus等人研究發現，螳螂蝦的「胳膊肘」包含一種耐衝擊塗層，在高應變率（約104/s）的影響下，粒子形成位錯並發生非晶化。互穿的有機網絡可提供額外的增韌效果。因此，螳螂蝦的「胳膊肘」擁有剛度和阻尼的巧妙組合，勝過許多工程材料。
圖7 螳螂蝦「胳膊肘」的撞擊面
8.《AM》：仿生昆蟲表皮硬化的強力膠用作醫用粘合劑！
硬化後的昆蟲外骨骼的楊氏模量極高（1-20 GPa），能與尼龍、聚乙烯、對苯二甲酸酯和聚苯乙烯等普通塑料相仿。韓國科學技術院Lee Haeshin等人使用苯酚和多胺分子模擬硬化過程，得到了100％生態友好且生物相容的水性超級膠，其粘合強度可與商業3M環氧膠媲美。由於強粘性，強力膠可在幾秒鐘內有效密封傷口。該強力膠的簡單、經濟、高效的製備方法有望徹底改變各種工業、生物醫學以及日常生活。
圖8 模仿昆蟲硬化過程的酚/多胺強力膠
9.《Nature Electronics》：仿蝗蟲的無人駕駛防撞探測器！
蝗蟲體內的碰撞監測神經元卻能夠讓它們在幾毫秒內以極低的能量計算出複雜的碰撞動力學，從而安然逃生。美國賓州州立大學的Saptarshi Das課題組巧妙地創建了一個極低功耗的動態、非易失且可重構的碰撞躲避監測系統來模擬蝗蟲體內的LGMD神經元。該系統能夠及時的探測即將發生的碰撞，並以納焦耳級別的能量消耗觸發逃逸反應。
圖9 蝗蟲體內的碰撞躲避系統與人造模擬器件
骨骼肌的收縮可以通過增加血流量來激活其相關的肌肉。因此，充血能導致肌肉硬度大大增加。相比之下，人工合成的材料由於網絡的稀釋而呈現出典型的溶脹-弱化現象。上海交通大學醫學院劉盡堯教授等人報導了通過骨骼肌啟發策略實現的聚合物材料的溶脹強化現象。膨脹觸發的自增強功能可以用來開發各種動態材料。
圖10 溶脹強化行為的示意圖
11.《PNAS》：仿豬籠草結構表面可在潮溼環境中連續收集和輸送水
在自然界中，自然生物通過獨特的結構（如圓錐形的仙人掌簇，周期性的紡錘節和蜘蛛絲的關節，多形棘突棘和瓶子草的毛狀體）將霧逐滴凝結收和運輸。江雷院士、董智超等人揭示了豬籠草植物的骨膜上水滑層的生成機理，並證明了多曲率增強的優良集水和運輸能力。用水浸透的蠕動表面可以進一步將水的傳輸速度提高約300倍。這種多尺度曲率設計的靈感為水和有機蒸汽收集器提供了可行性策略，並可延伸至蒸發塔，化學工業，實驗室甚至廚房的應用範圍。
圖11 豬籠草結構及集水機理圖
12.《Nature》：仿生果蠅眼角膜的防反射塗層實現應用！
包括果蠅在內的許多昆蟲能在夜間飛行自如，這是因為它們的眼睛都被一層薄而透明的塗層覆蓋。該塗層由微小的突起組成，具有減少光反射的作用。此外，該塗層還具備出色的抗粘性能，能為昆蟲的眼睛提供物理保護，以防止空氣中微小的灰塵顆粒。瑞士日內瓦大學的Vladimir L. Katanaev教授等人證明了果蠅角膜上納米塗層的形態和功能之間的明確聯繫。作者實現了對各種具有昆蟲樣形態、抗粘連或抗反射功能的人造納米塗層的前瞻性設計，並提供了一種通過可生物降解的材料來低成本地生產功能納米結構塗層的方法。
圖12 果蠅角膜納米塗層的結構，功能和組成
總結：自然界還有很多神奇的奧秘等著我們去探索，通過仿生，人們能夠創造出許多適用於生產、學習和生活的先進技術。相信今後會有更多仿生學的成果進入大家的視線，期待著更多大自然的奧秘被學者們所揭開！
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