仿生微結構的案例
上海交大《ACS AMI》：通過3D打印制備大尺寸蘑菇狀柔性超疏水仿生微結構
近日，上海交大機械與動力工程學院胡松濤副教授課題組設計并制備了具備機械強度的柔性超疏水仿生微結構，兼具抗液性與耐磨性，相關研究成果在機械裝備抗液防冰等領域具有重要的應用前景。該成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”為題發表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。
現有的面向低溫沖擊液滴的超疏水界面工作遵循剛性和柔性兩類設計原則，可有效縮短固液接觸時間，但受限于苛刻的固液沖擊定位要求。研究團隊在之前工作中，借鑒跳蟲胸殼的蘑菇狀仿生結構來抵抗沖擊液滴，但將底部立柱狀剛性支撐替換為彈簧狀柔性支撐來調整結構的整體力學性能，形成了“類皮膚-肌肉”柔性超疏水界面微結構的設計思想。該結構被證實可消除界面潤濕性能對液滴沖擊定位的依賴，但受限于弱機械強度。因此，研究團隊改進了柔性微結構設計，形成了由剛性平板和柔性彈簧組所構成的大尺寸蘑菇狀超疏水仿生微結構。研究團隊采用面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch S140，摩方精密）高效、精準地實現了上述界面設計的樣機制備。
△界面設計與制備（蘑菇平板陣列，寬度2800μm，厚度100μm，間隔200μm；彈簧支柱：自由高度2000μm，中徑500μm，線徑90μm，線圈數8個）
柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結構被證明可承受常規的法向擠壓和水平剪切行為；在實際摩擦行為中，較剛性結構有更好的耐磨性。
△界面機械強度
柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結構被證實可以通過觸發結構振動來縮短固液接觸時間。
展開 仿生材料的微組織結構對力學性能的影響
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結構的再取向
中科院某科研團隊系統地闡明了天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升
同時該課題組發現：材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關系。
(a) 復合結構在受到壓力之后逐漸偏離正應力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
展開 南理工傅佳駿教授、川大傅強教授/吳凱副研究員《Matter》：模仿蜻蜓翅膀的微結構，打造強而韌的可修復材料
仿生復合材料的制備及表征
圖1 蜻蜓翅膀的實物圖及仿生復合材料的制備表征分析
作者受到蜻蜓翅膀微結構的啟發，首先將MXene納米片包覆在剛性可修復的聚合物材料表面，而后通過熱壓定構加工的方式制備了仿生復合材料。光學顯微鏡和透射顯微鏡證明了復合材料內部的仿生微結構—形成了三維互聯的MXene骨架；XPS證明MXene骨架和聚合物直接存在強大的界面氫鍵相互作用，這也有助于提升復合材料整體的機械性能。
仿生復合材料的增強增韌性能
圖2 仿生復合材料的機械性能
三點彎曲實驗證實，在聚合物網絡中植入MXene互聯骨架，仿生復合材料的機械性能提到了顯著提升；與初始可修復聚合物材料相比，剛度提高了3.8倍，強度提高了25.0倍，應變提高了7.9倍；對比實驗證實，在聚合物基體中加入同等含量的烏龜分散的MXene納米片，其增強效果有限，遠低于具有仿生微結構的復合材料。
展開 南科大郭傳飛課題組：仿生電子皮膚研究取得重要進展
近期，南方科技大學材料科學與工程系副教授郭傳飛課題組在仿生微結構柔性電子皮膚領域取得重要進展，研究成果發布在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Advanced Electronic Materials》等國際期刊上。
郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結構薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學、生物醫學和納米能源領域的應用。
郭傳飛
觸覺是生物體表感受器受壓力或牽引力作用而引起的，它是生物體從外界環境獲得信息的重要手段之一。電子皮膚的研究具有重要意義。例如：穿戴假肢可以幫助肢體殘疾人士實現某些操作需求，但市場上的產品尚不具備觸覺功能，因此假肢也無法幫助他們實現感知。柔性觸覺傳感器（電子皮膚）是一種將觸覺信號轉換電信號的電子器件，在可穿戴電子設備、健康監測、運動監測、智能假肢、人機交互、以及人工智能等領域有著巨大的應用前景。研究已經證明微結構能有效提高柔性觸覺傳感器的性能，例如微金字塔、微柱結構、微球等已經被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結構通常通過傳統的光刻技術、化學刻蝕方法，制備過程復雜、耗時、價格昂貴。制備低成本、簡易、高性能的柔性觸覺傳感器成為當前的一大挑戰。
為了降低制備成本、提高器件傳感性能，郭傳飛課題組從荷葉的超疏水性來源于其表面的微納米結構中受到啟發，用自然材料作為模板來制備表面微結構。取大自然中的植物作為原始模板、復寫出植物表面的微結構并噴涂柔性銀納米線電極，構建電容型觸覺傳感器（Adv. Electron.
展開 
香港大學王立秋教授團隊AM：“剛柔并濟”仿生微纖維驅動器
近日，王立秋教授團隊通過將仿生學設計和微流控技術相結合，實現了 “剛柔并濟”的微型軟體驅動器。仿生設計原理結合了海參真皮和植物卷須的結構和功能特征，分別實現了“剛柔并濟”和可編程形變的獨立調控和協同設計，提高了軟體驅動器的整體性能。液滴微流控技術實現了微纖維型軟體驅動器的精確制備。
圖1. （a-c）仿生驅動器的設計靈感，分別結合了海參真皮（a）和植物卷須（b）的性能；（d）驅動器變形的示意圖；（e）微流控技術用于制備微型驅動器。（a）中海參照片作者為Fran?ois Michonneau，按照CC BY 3.0許可使用，（b）中植物卷須照片作者分別為W. Carter（上，CC0，維基共享資源）和Jon Sullivan（下，維基共享資源）。
該仿生軟體驅動器呈微纖維狀，內部嵌入有序排列的不對稱微顆粒條帶。微纖維由海藻酸鹽和硅藻土復合材料構成，海藻酸鹽對濕度變化進行響應，硅藻土用于增強海藻酸鹽水凝膠網絡。不對稱微顆粒材料為乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），對濕度不響應。當環境濕度變化時，不對稱微顆粒兩側的微纖維產生不同程度的體積變化，從而發生形變。
驅動器在吸水和脫水狀態下呈現出極大的機械性能差異，其楊氏模量、最大應力、最大應變、剛度等性能變化程度高達20-850倍，實現了剛柔并濟的特性。因此，該驅動器可輸出優異的機械功，其做功的能量密度、驅動應變和驅動應力分別超過天然肌肉4倍、>2倍和>30倍，并實現了高達17000倍的舉重比（舉起的載荷與驅動器的質量比）。
圖2.
展開 《AFM》上海交通大學董常明：可調粘附/微孔/仿生/糖多肽水凝膠，快速止血和高效傷口愈合
【摘要】
盡管第一代組織粘合劑和止血劑已在臨床上得到應用，但水凝膠的微觀結構和止血與傷口愈合之間的相關性尚不清楚
，并且難以設計高性能水凝膠以滿足全球在傷口閉合、止血和愈合方面日益增長的需求。
受細胞外基質的微觀結構和貽貝模擬化學的啟發，
上海交通大學
Jiayu Lu
/
董常明
教授
團隊和
制備了兩種配位和共價糖多肽水凝膠，它們具有可調節的組織粘附強度（14.6-83.9 kPa）和微孔結構（8-18
μ
m），并且溶血率< 1.5%。
值得注意的是，
微孔大小主要控制止血，與纖維蛋白膠等相比，孔徑為 16-18
μ
m 的水凝膠的止血速度最快，約 14 秒，失血量最低，約 6%。
此外，生物相容性和止血都會影響傷口愈合性能，如溶血、細胞毒性、皮下植入以及止血和愈合試驗所評估的那樣。重要的是，糖多肽水凝膠處理的大鼠皮膚缺損模型在第
14天實現了傷口完全閉合并再生了厚厚的真皮和帶有一些毛囊的表皮。因此，這項工作不僅建立了一種構建具有可調粘附性和微孔結構的糖多肽水凝膠的通用方法、快速止血和卓越的愈合功能，但也揭示了設計高性能止血和愈合水凝膠的有用原理。
相關論文以題為
Biomimetic Glycopolypeptide Hydrogels with Tunable Adhesion and Microporous Structure for Fast Hemostasis and Highly Efficient Wound Healing
發表在《
Advan
ced Functional Materials
》上。
展開 仿生波紋夾層結構建模插件 ￥120
華中科技大學：一種新型3D打印仿生波紋夾層結構三點彎試驗及失效分析
復合材料力學 | 原創作品 | 未經允許不得轉載
以下是付費插件及仿真案例。
仿生結構是如何被運用的？
SOM將竹子的這些特性應用到了中國國際貿易中心（China World Trade Center）的結構方案設計中。塔樓在高度方向被分成八段，底部受力最大，因此底部節間長度較小以增強塔樓穩定性。同時自下而上結構直徑逐漸減小，以減小風荷載的作用。并且仿效竹子的形狀特性規律，對外形及壁厚進行了數學表達。
其中，n是根據總層數與建筑體形所規定的形狀系數，N是結構總高度，yn是每段的節間長度，dn是節間直徑，t是壁厚。
結構采用外部巨型支撐+內部帶伸臂桁架的框架核心筒雙重結構體系，外部支撐結構和內部框筒結構都遵循同樣的分布規律。外部巨型支撐結構相當于竹子的外壁纖維，支撐長度可根據公式2算出。內部結構的伸臂桁架就相當于竹節，桁架間距在中部最大，在上下兩頭最小。同時，構件的壁厚就相當于竹壁壁厚，可根據公式4推出。
可見，在SOM的這個設計中，對于竹子的借鑒并不是只停留在概念上，或只把仿生作為一個噱頭。而是對整體形態及構件壁厚均參照竹子做了數學表達。從結構設計理念和創新上來說，SOM在高層設計領域還是很先進的。
螺旋與網格
自然界中很多物體明明風馬牛不相及，但是形式卻極其相似，比如仔細觀察風暴眼、和貝殼，可以發現不約而同都是螺旋形。在20世紀初Michell在他對懸臂梁的研究中發現了這個規律。對于一個懸臂構件，在端頭施加一個點荷載，其主應力的流線方向恰好符合螺旋形。而后隨著計算機技術發展，通過拓撲優化算法進行結構優化時，也得到了相近的答案。
在洛杉磯Transbay Transit 塔樓的設計中，設計師將其用于了外部支撐體系的優化。其外部支撐呈螺旋形，下部有兩處腳點落地，此處即相當于“風暴眼”的位置，是受力最為集中的地方，因此網格也最為密集。自下而上結構受力逐漸減小，因此網格也逐漸變疏。
展開 美國西北大學多材料3D打印仿生螺旋結構
螺旋結構普遍存在于動植物結構中，而這些生物結構往往具有較高的損傷抗性，具有優異的抗斷裂性能。美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，研究發現甲蟲會因為不同生命階段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。
生物中有很多優異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結構的設計提供嶄新的設計思路。類似這樣的螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發展，仿生方面的研究將進入全新的領域。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 受“墨魚”仿生結構啟發制備具有優異熱管理性電磁屏蔽的復合材料
然而，對墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發出的電磁波。值得注意的是，當捕食者靠近時，墨魚會通過凍結呼吸來屏蔽其生物電磁場，從而保護自己不被發現。
受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發，可以合理設計一種基于自變形液態金屬網絡的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時提供電子器件的自適應熱管理。液態金屬網絡的收縮可以屏蔽電子操作過程中產生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風險的情況下屏蔽生物電磁場一樣。同時，收縮的液態金屬網絡還可以增強電子器件的散熱性能。
02
成果掠影
近期，上海交通大學鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發設計一種具有自適應電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動態自變形特性，從而使液態金屬網絡具有可調的導熱/導電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導熱系數可提高到10.3 W/mK，電導率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導電性的提高有助于增強LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。這項工作不僅為合理設計自適應電磁干擾屏蔽和熱管理系統鋪平了新的道路，而且在熱管理材料、電磁干擾材料、柔性電子材料、智能材料、人工智能系統、生物醫學和航空航天等領域具有良好的實際應用前景。
展開 結構拓撲優化與仿生研究 | 破解樹葉葉脈黃金比例分布之謎
基于自重作用下樹葉變形與等效光照面積的關系，孫直副教授、博士生崔天晨等將葉片和葉脈分別視為薄板與加強筋，分析葉片在自重載荷下的變形，研究葉脈分布對葉片變形的影響，基于結構拓撲優化理論，探求使得樹葉剛度最大化的葉脈分布構型（圖3）。
圖3 典型樹葉的最優葉脈分布構型
研究發現葉脈主干首段與次段（A/B）呈現近似黃金比例分布時，樹葉的結構剛度最大，即樹葉變形最小，從而使其具有最大的等效光照面積，提高葉肉組織的光合作用效率。對自然界中的多種樹葉共百余片進行測量，結果顯示約50%的樹葉葉脈分布趨近于黃金比例，集中分布于1.618±0.01范圍內（圖4）。上述結果初步證實了樹葉葉脈分布是力學性能最優化驅動下的演化結果，該研究結果不僅可以解釋葉脈分布的奧秘，而且為設計天線、柔性電子器件等加筋板殼結構的設計提供了很有借鑒意義的指導原則。
圖4 典型樹葉的葉脈分布統計
展開 
：利用蜂窩狀薄膜為模板制備仿生分級功能結構
【引言】
自然界中的分級結構，如昆蟲眼睛、蝴蝶翅膀、壁虎腳和荷葉等，能夠實現諸如控制光傳播和表面潤濕性的界面功能。目前，通過熱壓印、電沉積、靜電噴涂和近場光刻等方法已經成功制備了多種仿生結構，但是這些方法過程繁瑣且比較耗時，還要依賴特殊的實驗裝置。蜂窩狀薄膜的出現和發展為快速、簡便地制備仿生分級結構開辟了新的途徑，然而近年來研究焦點主要集中在利用呼吸圖案法制備微孔形貌可控的蜂窩狀薄膜，利用這些有序結構來構建仿生分級結構并用于實際的光學和功能表面應用還鮮有報道。
【成果簡介】
近日，東南大學顧忠澤教授課題組利用呼吸圖案法獲得了一種蜂窩狀薄膜，并將其作為模板實現了仿生分級功能結構的制備。研究還發現，二氧化硅納米粒子能夠在薄膜微孔內進行限域自組裝得到復合薄膜，該復合薄膜具有可控的光學性質。將薄膜模板除去后即可得到二氧化硅納米粒子陣列，該陣列具有疏水表面和可控的潤濕性能。該成果以題為"Fabrication of Bioinspired Hierarchical Functional Structures by Using Honeycomb Films as Templates"發表在材料領域著名期刊Advanced Functional Material上。
【圖文導讀】
圖1 蜂窩狀薄膜的SEM表征
(A) 在連續的潮濕氮氣流條件下制備的蜂窩狀薄膜的SEM圖像；
(B) 蜂窩狀薄膜橫截面的SEM圖像。
展開 一種具有竹蓀生物仿生結構的高耐用、輻射冷卻和隔熱性能的柔性薄膜
低導熱系數阻礙了通過直接傳導獲得大量熱量，但由于其固有的脆性和易開裂性，也給材料的加工和機械性能帶來了挑戰，這可能會損害結構的完整性和耐久性。因此，開發具有低導熱性的柔性和堅固的輻射冷卻材料對于輻射冷卻技術的實際應用至關重要。
隨著輻射冷卻材料的發展，人們發現了多孔聚合物薄膜與傳統的冷卻材料相比它們的重量輕，柔韌性好，導熱性低。此外，多孔聚合物薄膜通過操縱孔徑和孔密度來控制傳熱的能力是一個關鍵優勢。研究人員仍在探索如何優化多孔聚合物輻射冷卻材料的孔徑和孔密度，以達到最佳的冷卻性能。
02
成果掠影
近期，復旦大學材料科學系膠體微球與涂料課題組武利民教授和游波教授針對開發具有低導熱性的柔性輻射冷卻材料取得最新進展。竹蓀屬鬼筆菌科，主要生長在中國四川，適宜生長溫度為20 ~ 23℃。其莖的表面有明顯的孔隙，在高倍顯微鏡下，很明顯這些大孔隙是由更小的亞微孔組成的(圖1) 。該團隊受其多層多孔生物結構的啟發，提出了一種新型的hollow@porous輻射冷卻膜，該膜將中空微粒和多孔聚合物結合在一起。制備的hollow@porous柔性薄膜具有較高的太陽光反射率(93.7%)、較強的紅外發射率(89.1%)和超低的導熱系數(17.56 mW/mk)。實驗表明，在峰值太陽強度為980 W/m2時，所制備的冷卻器的日間冷卻性能顯著降低至17.4℃。此外，獨特的hollow@porous結構還通過結合耐候性和自清潔特性加強了薄膜的長期耐用性，即使在惡劣的氣候條件下也能確保穩定高效的輻射冷卻性能。輻射冷卻材料的進步為太陽能電池板、發動機部件、電子設備、新能源電池等的熱管理、節能和冷卻開辟了新的可能性。
展開 天津大學汪懷遠教授團隊CEJ：基于神經元微結構的高導熱絕緣復合材料
圖7 mBN42 PES/PVDF-H復合材料中導熱機理示意圖
【研究小結】
綜上所述，該團隊設計了一種簡單可擴展的方法來制備具有神經元網絡和取向微結構的高導熱復合材料。該復合材料具有高的導熱系數（12.13 Wm-1K-1, bulk TC）、優異的熱穩定性（Tg:172.2℃）、突出的電絕緣性能（1.5×1016Ω·cm）和穩定的儲能模量（50 times higher than the matrix）。這些優異的性能來源于神經元樣微結構與界面增強的協同機制。更重要的是，移動PC端進行的壓力測試顯示了出色的應用效果，可以改善用戶對現代電子設備的體驗。因此，相信本研究有可能為設計仿生類神經元微結構復合材料，解決先進電子封裝技術中的散熱問題開辟一條途徑。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131280
展開 《Macromolecules》南昆士蘭大學宋平安：仿生、強大且堅韌的納米結構聚乙烯醇/肌醇復合材料：氫鍵交聯如何工作？
不幸的是，氫鍵交聯與所得聚合物的微觀結構和機械性能的相關性仍不清楚。
最近
，
南昆士蘭大學科研團隊
以肌醇 (IN) 分子作為交聯劑制備了堅固且堅韌的納米結構 PVA 復合材料。
添加 1.0 wt% 的 IN 可將 PVA 的屈服強度 (σ
y
) 提高至 148 MPa（約 31%），同時斷裂應變（增加 250%）和韌性（增加 3.6 倍）也顯著增加由于動態物理交聯和晶粒細化。
團隊
表明，在 H 鍵交聯密度 (n
e
) 和 σ
y
、鏈運動（例如，玻璃化轉變溫度 (T
g
)、弛豫活化能 (E
a
)）和晶粒尺寸之間存在密切但簡單的相關性(L)，即 σ
y
∝ n
e
、T
g
、E
a
和 1/L。這項工作揭示了氫鍵交聯對 PVA 微觀結構和機械性能的控制作用，并首次揭示了其與機械性能、鏈動力學和結晶的相關性。這些令人興奮的發現為創造堅固、堅韌和延展的聚合物材料開辟了許多新的機會。
圖
1.
(a) 通過簡便的溶液混合和薄膜澆鑄方法制備 PVA-肌醇 (IN) 復合材料的示意圖；它們的分子間氫鍵（H鍵）相互作用和MD模擬的H鍵。(b) PVA、(c) IN-1、(d) IN-2 和 (e) IN-5 的 TEM 圖。(f) PVA 內納米相的相尺寸 (直徑) 和 (g) 分數。（h）IN-2.0 的 SEM 圖像以及線性元素 O 掃描，表明納米相由富含 IN 的 PVA-IN 聚集體組成。
圖
3
.
展開 