仿生学基础与应用——莲花效应、肋条结构等工程应用的通俗易懂讲解

什么是仿生学？

仿生学是模仿生物体经过数百万年的进化而形成的特征和生存策略以应对人类挑战的实践。

自大约38亿年前生命在地球上出现以来，为了生存，地球经历了令人惊讶的高效而精细的进化。随着时间的推移，人类从这些生命形式中汲取了有益的适应性，并以各种方式将它们融入文明。

例如，当人类想要飞翔时，他们首先想到的是自由翱翔于天空的鸟类的翅膀。在15和16世纪的文艺复兴时期，列奥纳多·达·芬奇观察飞翔的鸟类和昆虫，试图探索飞行的奥秘。1853年，英国工程师乔治·凯利专注于海鸥的滑翔运动，发明了滑翔机，记录显示，飞行员成功飞行了100多米。后来，德国学者奥托·李林塔尔等人对滑翔机进行了改进，以增加飞行距离，最终促成了美国莱特兄弟于1903年首次成功驾驶载人动力飞机。

除了飞行之外，其他自然机制，例如荷叶、蛾眼、壁虎足等，也激发了各种技术创新。在工程领域，仿生学超越了单纯的物理外观模仿，能够揭示原理、重现功能并创建应用。设计师和工程师可以从自然界的蓝图中获得灵感，从而实现更高的耐用性、更高的效率和更少的材料消耗等优势。

日常生活中的仿生学例子

接下来，让我们探讨一下仿生学对现代技术带来变革的一些实际应用。

莲花效应：受自然启发的自清洁表面

莲花生长在泥泞的沼泽中，但其叶片表面却始终光彩夺目，水滴形成水银般的球体，轻盈地滚动。水滴滚动时会带走沙砾和灰尘，使叶片保持洁净。这种自清洁机制的实现得益于叶片表面的微米级和纳米级结构以及疏水蜡质。这种所谓的“莲花效应”已应用于酸奶盖、建筑外墙材料等各个领域。莲花效应的主要特征如下：

• 超疏水性：叶片表面覆盖着极小的结构（称为微乳头的结构，顶部有纳米级蜡晶体），最大限度地减少了这些结构与水滴之间的接触面。因此，水滴在超疏水叶片表面形成球体，接触角大于150°C。
• 自清洁功能：水滴形成球体并滚动时，会吸附并带走表面污垢。这种效应使植物能够保持叶面清洁。
• 低摩擦：微米和纳米结构形成的薄空气层可减少表面摩擦。

莲花效应的应用

模仿荷叶结构的技术已经被融入到我们日常生活中使用的许多产品中。

• 汽车玻璃涂层：挡风玻璃处理，可防雨水，使视野更开阔
• 建筑外墙材料：耐污、可通过雨水自然清洗的外墙涂料和窗玻璃
• 医疗器械：抑制细菌粘附的表面
• 功能性服装：防水防污面料

蜂窝结构

蜂巢结构模仿了蜂巢中重复的六边形图案。这种六边形蜂巢排列是自然界中最节省材料的结构之一。其主要特点如下：

• 极高的强度重量比：提供出色的刚性，同时最大限度地减少材料使用。
• 减震：受到撞击时，六角形孔洞会变形，分散并吸收能量，从而实现出色的减震效果。
• 隔热和热量分布：带有气穴的分层细胞结构有利于隔热和热管理。

工业应用

蜂窝结构已被应用于各个行业。

• 航空：用于飞机和航天器的结构部件，以制造重量轻但坚固的零件。
• 汽车：应用于减震结构和车身加固材料
• 建筑：用于绝缘板和轻质但坚固的建筑材料
• 电子设备：提高散热效率的散热器结构

鲨鱼皮启发肋排加工

鲨鱼皮表面有一系列微小的纵向凹槽，形成了所谓的“肋状结构”。这些结构可以减少水的阻力，使飞机能够在海洋中高效高速地移动。飞机制造商目前正在开发一种仿鲨鱼皮的薄膜，这种薄膜具有微小的结构，可用于飞机表面以减少阻力并提高燃油效率。据称，这种“肋状结构”有望将空气动力阻力降低高达8%，从而显著节省燃油。

骨骼结构启发轻质高强度材料

动物骨骼内部含有海绵状多孔结构（小梁），这种结构重量轻且强度高。模仿这种结构的轻质坚韧材料正应用于汽车底盘、飞机机翼和机身框架等。此外，骨骼的多孔结构能够吸收和分散冲击力。在汽车保险杠和车架中使用类似骨骼的结构和金属泡沫，有望有效吸收冲击能量，提高乘员安全。

沙漠昆虫角质层启发耐热结构

沙漠昆虫进化出了特殊的角质层结构，以便在温度超过50℃的极端环境中生存。例如，生活在撒哈拉沙漠的撒哈拉银蚁利用角质层上的银毛结构和三角形突起，有效地反射可见光和近红外光（700至2500纳米）。研究表明，这种结构可以漫射和反射至少90%的阳光，并最大限度地减少热量吸收，从而将体温降低约10℃。据报道，一种模拟这种结构的纳米结构涂层可以提高太阳光反射率，并将建筑物表面温度降低15至20℃。

珊瑚凹槽启发电池冷却板设计

Coral 具有复杂的凹槽结构，可通过增加表面积促进水流带来的热交换。据报道，模拟这些珊瑚凹槽的汽车电池冷却板比传统产品可将冷却性能提高 10%，并将压力损失降低 20%。这些改进有望缩短充电时间，并通过使电池更接近 20 至 40℃ 的最佳温度范围来延长电池寿命。

壁虎脚结构激发胶带灵感

壁虎可以像忍者一样在墙上行走，这要归功于它们脚上的纳米级毛发，可以通过范德华力实现强大的分子级粘附力。这些结构已被应用于胶带的开发，以固定科学实验的分析材料。由于胶带无毒、可重复使用、不留残留物，因此用于固定扫描电子显微镜等的分析样品。

蚊子的喙启发人们发明无痛针

蚊子的喙部拥有多个尖锐的针头和锯齿状结构，能够几乎毫无阻力地刺入皮肤吸血。这种机制正被用于开发无痛注射器微针。

蝉翼表面结构启发抗菌技术

蝉翼表面覆盖着纳米柱结构，该结构可以物理破坏细菌膜，防止细菌粘附。模拟该结构的抗菌膜已被证实无需使用化学杀菌剂即可发挥物理抗菌作用，目前正应用于医疗领域。

蜘蛛丝启发导电纤维

蜘蛛丝因其纳米级的分层结构而比钢更坚固，且具有极高的弹性。目前正在研发一种纤维，通过将导电聚合物和碳纳米管集成到蜘蛛丝结构中来模拟这些特性。人们期望这将带来轻巧耐用的传感器和可穿戴设备。

仿生技术的最新趋势

仿生学在工业产品中的应用的最新进展引发了以下趋势：

超细结构驱动的变化

微细加工技术的进步使得在比以往更小的尺度上重建生物结构成为可能。能够以前所未有的精度复制精细的仿生表面结构，并将其应用于物理学、光学、流体力学等众多学科领域，从而引发创新产品的诞生。

多功能材料开发

生活在极端环境中的生物体组织可以同时具备多种功能，例如隔热、表面保护、防水和抗菌。模拟这些生物体材料的开发，正在推动具有这些生物体特性的材料的进步，例如检测和响应环境变化，或兼具防水和抗菌特性。

为材料添加自修复特性

生物体受损后能够自我修复。受这种生物自愈机制的启发，一些研究人员正在探索开发具有自愈功能的聚合物和复合材料，以延长产品寿命并减少维护需求。

超高效的能源利用

自然界中，所有生命形式都通过极其高效的化学利用从食物或阳光等来源获取的能量来维持生命活动。人们正在利用这些高效的生物能源系统来研究不依赖传统化石燃料或电力的新能源系统。

抗反射飞蛾眼结构技术及其应用

凭借在材料开发方面的记录，Dexerials 在产品设计中利用了这些仿生概念。我们的蛾眼型防反射膜就是一个例子。使用我们的核心技术之一的微加工技术，我们创建了模仿飞蛾眼微观表面的飞蛾眼结构。 该产品因其优异的防眩光性能而用于汽车显示器和平视显示器。
蛾眼结构：终极防反射技术

此外，我们的防反射膜蛾眼型也已作为医用面罩 DxShield 商业化。这种面罩在长时间手术中被许多医生广泛使用，因为它可以减少眩光并抗雾。
蛾眼型防反射膜医用防护罩的优点

有关实现这些产品的 Dexerials 微加工技术的更多详细信息，请参阅以下文章。
透明减反射膜——最新的微结构技术

通过将仿生学集成到产品设计中，工程师可以利用生命形式通过进化发展的机制来解决广泛的问题。Dexerials将继续与客户一起追求新的仿生技术，结合微加工、溅射、有机材料复合等技术。