观点丨嗨，仿生材料有兴趣了解下吗
在我们日常生活中目所能及的都是些再常见不过的材料了，那么大自然中有没有一些有趣的特殊材料呢？其实，小编想说的就是仿生材料啦！
表面/界面性质对于生物体的正常功能尤其重要，所以生物界中进化出了各种各样非常特化的组织和器官来实现特性的功能，而这些功能也成为了研究的一个重要的领域——仿生。随着材料科学和基础理论学科的发展，仿生所取得的成就也越来越大。因为仿生毕竟跟应用联系紧密，好的应用必须要有理论支持和符合其要求的材料才能达到。现在看到的很多有意思的材料都是从自然界中学习而来，所以老子说“道法自然”，此言不虚。我们来看看这些仿生材料或结构吧！
1、蜗牛仿生机器人
蜗牛能够带着自身的重量在竖直的墙上攀爬。这需要两个条件，一是不掉下来，二是能往上爬。蜗牛的伪足与墙壁之间有一层它分泌的粘液。如果蜗牛不掉下来是靠这层粘液的粘附力，那蜗牛要向上移移动反而就要克服这一粘力，花费比自身重量更多的力气；如果蜗牛能向上爬，靠的是这层粘液的润滑作用，那这种润滑作用首先就会使蜗牛往下滑，无法固定在竖直的墙壁上。这是两个无法调和的矛盾，或者说最适合的妥协就是既不往下掉也爬不上去，有等于无。但事实上这个粘液并不是像阑尾那样的自然选择选漏了的多余物，而是既有粘附作用又有润滑作用。
假如我们希望对蜗牛进行仿生，除了要搞清楚蜗牛伪足的蠕动方式之外，还要知道蜗牛粘液的流变性质，对粘液也进行仿生。养很多大蜗牛，把粘液收集下来做流变测试，发现蜗牛的粘液有很多特殊的性质。人工的液体要集这么多性质于一身还不容易。第一，它是屈服应力流体（yield stress fluid），第二，它有适中的触变性（thixotropy）。经典牛顿流体的粘度是一个常数，不会随外力或时间而变化。但蜗牛的粘液不一样，当施加的外力较小时，它的黏度很大，表现为很黏稠的东西。但是当施加的外力大于一定值（屈服值）后，它的黏度就会突然下降，变成很稀的东西。撤去外力之后，粘液的粘度能恢复到原来的高水平。上述的这种屈服和恢复过程，都不是立刻发生的，而是随时间有个响应过程，太快或太慢响应都不对付。
蜗牛爬行时，是通过伪足的蠕动，对粘液层的局部进行剪切，这一小部分的粘液的粘度就会降低，方便伪足移位，但剩余的部分的粘度仍然很高，起固定作用，使蜗牛不至于下滑。如果观察蜗牛在行进中伪足的蠕动，可发现是从前到后呈波浪式变化，这就是受剪切的局部不断往后推，身子不断往前移的过程。这除了要求粘液在屈服前后的粘度差要非常大之外，还需要粘液粘度的恢复时机要刚刚好。屈服后能保持一段时间的低粘度，但又要及时恢复到高粘度。具体调节，要看蜗牛伪足蠕动的节律。因此，对于一只蜗牛来说，它的肌肉控制能力，跟它所分泌的粘液的触变性，在时间尺度上一定是恰好匹配了的。拿一种蜗牛的粘液给另一种蜗牛来用，很可能就会失效。
相关的研究论文：
Soft Matter 2007, 3, 634
Phys. Fluids 2005, 17, 113101
MIT科学家的灵感来自于自然界的一种植物斑叶肖竹芋（英文名：Zebra Plants），名字很奇怪，但是样子大家或许都见过：
这种植物的叶片不会粘上水珠，具有很好的防水性，科学家通过显微镜观察发现防水性的来源是叶片表面很多圆锥状的微结构。在此启发之下，科学家利用半导体工业界的镀层蚀刻技术在玻璃表面“长出”了一层圆锥微结构阵列。大致过程如下：首先在玻璃表面镀上多层光敏材料（photoresistance material），其次通过控制激光刻蚀的深度和位置，用类似雕刻的手段逐渐在光敏材料上刻出一个个圆柱体的形状。精确控制圆锥的大小、锥面角度等几何参数可以改变玻璃表面的粘滞力以及折射系数等物理量，可以通过理论建模计算优化出所需要的圆锥使得表面同时具有疏水性和防眩光性（沿圆锥轴向折射率梯度变化可以有效去除全反射）。
下面这此材料因为同时具有这三大非常牛和实用的功能，因此其前途不可限量，首先离我们最近的就是电子产品的显示屏，这个玻璃在广域波段上可以达到98%的透光率，如果在我们的手机或者平板表面上放置这样的一层玻璃，那么在平时使用中可以省去不小的麻烦。其次就是在太阳能电池领域，众所周知太阳能电池上的灰尘和脏东西会减少其对光的捕获能力从而降低其效率，如果有这样的一种自清洁玻璃作为面板材料，可以保证长时间的高效率工作。如果新型玻璃成本可以进一步下降的话，那么用它来做车窗玻璃将会迅速占领现有市场。想一想有一天不用再开雨刷，不怕车窗反光，这一天或许不会遥远了吧。
对这个材料有兴趣的同学可以进一步阅读：
（1）MIT官方介绍： Through a glass, clearly
这是哈佛Joanna Aizenberg组发表在Nature Materials上的工作，新闻报道的时候用的题目是“Slippery when wetted”,也就是无论是亲水性的还是疏水性的液体，只要沾到表面都会流下去而不黏附在表面上。这个工作是由猪笼草的结构启发的。
猪笼草上口有腺体分泌润滑液体，使得这一圈非常光滑，小飞虫只要落在上面，都会滑落到下面的腹口中成为猪笼草的食物。Aizenberg组模拟了猪笼草的这种特性，制作出了slippery liquid infused porous surface(s) (SLIPS)的表面材料。他们试验了两种材料作为基底，一种是环氧树脂，另外是聚四氟乙烯。然后在这两种基底上加入合适的润滑液，在毛细作用下，润滑液均匀浸润在基底的表面，从而具有了自我修复能力的抗粘附的特性。这种抗粘附的特性几乎是全天候的。
4.超黏表面
代表是美国西北大学Philip B. Messersmith研究组的一部分工作。他们模拟了壁虎脚垫的结构（干燥表面的黏性），用硅基上刻蚀PMMS出纳米图案，PDMS翻模复刻，然后在纳米柱的顶端修饰多聚DOPA（潮湿表面的黏性），从而达到无论是干燥还是潮湿都具有粘附性的表面。
5.超亲水/疏水界面
这个做得特别多。主要通过两种途径，一个是改变表面的亲水/疏水的基团修饰，另一个就是通过微纳米结构仿生（荷叶），如国内江雷院士发表在Nature上的工作。
其实，仿生材料真的是蛮多的，不禁感叹：大自然太神奇了！它默默地为科研工作者提供着各种各样的灵感，让人们能够研究出更多的材料，造福全社会。
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材料牛石小梅编辑整理。
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