觀點丨嗨，仿生材料有興趣了解下嗎
在我們日常生活中目所能及的都是些再常見不過的材料了，那么大自然中有沒有一些有趣的特殊材料呢？其實，小編想說的就是仿生材料啦！
表面/界面性質對于生物體的正常功能尤其重要，所以生物界中進化出了各種各樣非常特化的組織和器官來實現特性的功能，而這些功能也成為了研究的一個重要的領域——仿生。隨著材料科學和基礎理論學科的發展，仿生所取得的成就也越來越大。因為仿生畢竟跟應用聯系緊密，好的應用必須要有理論支持和符合其要求的材料才能達到。現在看到的很多有意思的材料都是從自然界中學習而來，所以老子說“道法自然”，此言不虛。我們來看看這些仿生材料或結構吧！
1、蝸牛仿生機器人
蝸牛能夠帶著自身的重量在豎直的墻上攀爬。這需要兩個條件，一是不掉下來，二是能往上爬。蝸牛的偽足與墻壁之間有一層它分泌的粘液。如果蝸牛不掉下來是靠這層粘液的粘附力，那蝸牛要向上移移動反而就要克服這一粘力，花費比自身重量更多的力氣；如果蝸牛能向上爬，靠的是這層粘液的潤滑作用，那這種潤滑作用首先就會使蝸牛往下滑，無法固定在豎直的墻壁上。這是兩個無法調和的矛盾，或者說最適合的妥協就是既不往下掉也爬不上去，有等于無。但事實上這個粘液并不是像闌尾那樣的自然選擇選漏了的多余物，而是既有粘附作用又有潤滑作用。
假如我們希望對蝸牛進行仿生，除了要搞清楚蝸牛偽足的蠕動方式之外，還要知道蝸牛粘液的流變性質，對粘液也進行仿生。養很多大蝸牛，把粘液收集下來做流變測試，發現蝸牛的粘液有很多特殊的性質。人工的液體要集這么多性質于一身還不容易。第一，它是屈服應力流體（yield stress fluid），第二，它有適中的觸變性（thixotropy）。經典牛頓流體的粘度是一個常數，不會隨外力或時間而變化。但蝸牛的粘液不一樣，當施加的外力較小時，它的黏度很大，表現為很黏稠的東西。但是當施加的外力大于一定值（屈服值）后，它的黏度就會突然下降，變成很稀的東西。撤去外力之后，粘液的粘度能恢復到原來的高水平。上述的這種屈服和恢復過程，都不是立刻發生的，而是隨時間有個響應過程，太快或太慢響應都不對付。
蝸牛爬行時，是通過偽足的蠕動，對粘液層的局部進行剪切，這一小部分的粘液的粘度就會降低，方便偽足移位，但剩余的部分的粘度仍然很高，起固定作用，使蝸牛不至于下滑。如果觀察蝸牛在行進中偽足的蠕動，可發現是從前到后呈波浪式變化，這就是受剪切的局部不斷往后推，身子不斷往前移的過程。這除了要求粘液在屈服前后的粘度差要非常大之外，還需要粘液粘度的恢復時機要剛剛好。屈服后能保持一段時間的低粘度，但又要及時恢復到高粘度。具體調節，要看蝸牛偽足蠕動的節律。因此，對于一只蝸牛來說，它的肌肉控制能力，跟它所分泌的粘液的觸變性，在時間尺度上一定是恰好匹配了的。拿一種蝸牛的粘液給另一種蝸牛來用，很可能就會失效。
相關的研究論文：
Soft Matter 2007, 3, 634
Phys. Fluids 2005, 17, 113101
MIT科學家的靈感來自于自然界的一種植物斑葉肖竹芋（英文名：Zebra Plants），名字很奇怪，但是樣子大家或許都見過：
這種植物的葉片不會粘上水珠，具有很好的防水性，科學家通過顯微鏡觀察發現防水性的來源是葉片表面很多圓錐狀的微結構。在此啟發之下，科學家利用半導體工業界的鍍層蝕刻技術在玻璃表面“長出”了一層圓錐微結構陣列。大致過程如下：首先在玻璃表面鍍上多層光敏材料（photoresistance material），其次通過控制激光刻蝕的深度和位置，用類似雕刻的手段逐漸在光敏材料上刻出一個個圓柱體的形狀。精確控制圓錐的大小、錐面角度等幾何參數可以改變玻璃表面的粘滯力以及折射系數等物理量，可以通過理論建模計算優化出所需要的圓錐使得表面同時具有疏水性和防眩光性（沿圓錐軸向折射率梯度變化可以有效去除全反射）。
下面這此材料因為同時具有這三大非常牛和實用的功能，因此其前途不可限量，首先離我們最近的就是電子產品的顯示屏，這個玻璃在廣域波段上可以達到98%的透光率，如果在我們的手機或者平板表面上放置這樣的一層玻璃，那么在平時使用中可以省去不小的麻煩。其次就是在太陽能電池領域，眾所周知太陽能電池上的灰塵和臟東西會減少其對光的捕獲能力從而降低其效率，如果有這樣的一種自清潔玻璃作為面板材料，可以保證長時間的高效率工作。如果新型玻璃成本可以進一步下降的話，那么用它來做車窗玻璃將會迅速占領現有市場。想一想有一天不用再開雨刷，不怕車窗反光，這一天或許不會遙遠了吧。
對這個材料有興趣的同學可以進一步閱讀：
（1）MIT官方介紹： Through a glass, clearly
這是哈佛Joanna Aizenberg組發表在Nature Materials上的工作，新聞報道的時候用的題目是“Slippery when wetted”,也就是無論是親水性的還是疏水性的液體，只要沾到表面都會流下去而不黏附在表面上。這個工作是由豬籠草的結構啟發的。
豬籠草上口有腺體分泌潤滑液體，使得這一圈非常光滑，小飛蟲只要落在上面，都會滑落到下面的腹口中成為豬籠草的食物。Aizenberg組模擬了豬籠草的這種特性，制作出了slippery liquid infused porous surface(s) (SLIPS)的表面材料。他們試驗了兩種材料作為基底，一種是環氧樹脂，另外是聚四氟乙烯。然后在這兩種基底上加入合適的潤滑液，在毛細作用下，潤滑液均勻浸潤在基底的表面，從而具有了自我修復能力的抗粘附的特性。這種抗粘附的特性幾乎是全天候的。
4.超黏表面
代表是美國西北大學Philip B. Messersmith研究組的一部分工作。他們模擬了壁虎腳墊的結構（干燥表面的黏性），用硅基上刻蝕PMMS出納米圖案，PDMS翻模復刻，然后在納米柱的頂端修飾多聚DOPA（潮濕表面的黏性），從而達到無論是干燥還是潮濕都具有粘附性的表面。
5.超親水/疏水界面
這個做得特別多。主要通過兩種途徑，一個是改變表面的親水/疏水的基團修飾，另一個就是通過微納米結構仿生（荷葉），如國內江雷院士發表在Nature上的工作。
其實，仿生材料真的是蠻多的，不禁感嘆：大自然太神奇了！它默默地為科研工作者提供著各種各樣的靈感，讓人們能夠研究出更多的材料，造福全社會。
本文轉載自知乎，鏈接：https://www.zhihu.com/question/19991952。
材料牛石小梅編輯整理。
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