收稿日期：２０１５－０２－
１７。基金项目：辽宁省教育厅高等学校优秀人才项目（ＬＪＱ２０１１１１７）；辽宁省教育厅大学生创新创业训练计划（２０１４１０１６６０００００８）。作者简介：郭帅帅（１９８６－），男，山东潍坊人，沈阳师范大学硕士研究生；通信作者：封文江（１９７４－）
，男，河北石家庄人，沈阳师范大学副教授，博士，硕士研究生导师。
第３３卷 第２期
２ ０ １ ５年 ４月沈阳师范大学学报（自然科学版）Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（
Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２Ａｐｒ．２ ０ １ ５文章编号：１６７３－５８６２（２０１５）０２－０１６０－
郭帅帅，封文江，朱 影，何江海，徐雅辉，亓雨生，杨奥新
（沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳 １１００３４
推动社会进步的重要性不言而喻。仿生科学作为新型结构功能材料的研发新思路得到突破性发
展。从一些天然材料的复合结构和优异功能出发，介绍了仿生材料的特点及其研究领域的一些成
果。天然复合材料优良的力学性能，与材料的微观结构有显著直接关系。以天然材料作为设计思
维的来源制作出高性能仿生材料，
主要包括结构仿生材料与功能仿生材料，已经被应用于社会生产的多个领域。随着科技发展，计算机模拟作为一种高效、经济环保的设计方式，对于仿生材料发
展有极大地推进作用。
关 键 词：材料仿生；计算模拟；结构功能
中图分类号：ＴＢ３０３ 文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ
．ｉｓｓｎ．１６７３－５８６２．２０１５．０２．００７０ 引 言
新型材料的研发一直是活跃的研究领域。自然界是人类利用材料、设计材料及发明创造的源泉，二十世纪六七十年代，仿生学的概念被正式提出，当时仿生材料的研究处于起步阶段，研发的成果稀少，进
展缓慢。如今仿生材料学已经发展成为一门覆盖信息科学、
材料科学、结构力学、工程设计等的交叉学科，研究的领域还在不断扩大，涉及的学科也会越来越多。功能结构良好的天然材料，具有不同尺度的
分级结构，根据ＸＲＤ衍射及ＳＥＭ图样发现多数天然材料的结构特点是成分简单，
结构复杂，却具有特殊的性能。因此，日益受到科学家的重视，希望根据这一特点，设计并制备出高性能的功能结构复合材料。１ 研究背景
生物经过长时间的动力学自组装过程，各个组分之间按照最佳的结构和组合方式组装，最终形成特有的复合结构，来适应复杂多变的环境要求。某种意义上来说自组装产物的缺陷程度最低，结构和功能
达到了理想状态［１］。科学家已经从纳米层面系统的分析与研究生物体外形、结构、力学功能，可以作为
工程设计的依据，为仿生设计出高性能材料提供理论支撑。自从２０世纪末开始，
国内外投入很大的人力物力从事仿生工作，
并且取得了许多重要成果：如仿生自然叶片蒸腾作用的热效应［２］、仿生离子通道［３］、仿生分子及细胞传感器［４］、仿生耦合聚晶金刚石钻头［５］、仿生动物消化系统的反应器［６］等。如今，已经有许多仿生结构材料应用于医学修复、传感器及量子器件等多个领域。
２ 研究现状
２．１ 力学功能仿生
天然纤维是性能优良的材料，也是人们经常接触的天然材料。蛛丝作为纤维材料，它的结构和功能
李梦个人资料简介较早的被人们研究并仿生成功。２０世纪末，
美国生物学家安妮穆尔发现“黑寡妇”的蜘蛛丝，而且蛛丝有很高的断裂强度。后来，加拿大科学家通过山羊产出的蛛丝蛋白制作出可降解的“生物钢”，其强度是
钢的十倍，用蛛丝纤维制作的布料，其强度是防弹衣的十几倍［７］。正是纤维的这些优异特点，在当时吸
引了大量的科学家不断地对其进行研究。
通过对天然纤维形态结构的研究发现，纤维素为线型高聚物，它的大分子之间不仅有范德华力的相
互作用，
还有使分子平型排列、紧密结合的氢键的作用。纤维素分子之间排列整齐紧密程度与纤维的强度呈线性关系。从表１可以看出这几种天然纤维虽然密度比较小，但是都具有较高的比强度和拉伸模量［８］。如今，人工制作的Ｅ－玻璃纤维比强度达到８００～１ ４００ＭＰａ·ｃｍ３／ｇ，
拉伸强度则达到２ ０００～３
５００ＭＰａ。表１ 几种天然纤维力学性能
天然纤维
拉伸强度／ＭＰａ拉伸模量／ＧＰａ密度／（ｇ·ｃｍ－３）亚麻
３４５～１ ０３５ ２７．６ １．４９剑麻
５１１～６３５ ９．４～２２ １．２６苎麻４００～９３８ ６１．４～１２８ １．５４
２．２ 力学结构仿生
天然复合结构的仿生设计是研究热点之一，复合结构材料的优异性能往往超越单一结构材料。其
中贝壳的珍珠层是由片状文石交错排列成层，
单个文石之间用有机质填充（图１）。贝壳的断裂方向垂直于片状文石层时，有机体起到了缓冲减压的作用，增大了文石层间的相互作用力，拔出文石晶片所做的功得到提高，导致部分沿文石片边缘断裂变为穿过文石片断裂，并改变应力的单一方向，产生多方向
的转变，应力的不断偏转改变使裂纹路径增加，阻力相应增大［９］。因此，贝壳的这一复合结构使其具有
了优异的力学性能，贝壳的韧性是文石的１ ０００倍，硬度是文石的２倍，是普通碳酸钙材料的３
０００倍［１０］。Ｓｔｕｄａｒｔ［１
１－１２］研究小组将柔性生物高聚糖与具有高强度的陶瓷板相互交错成层得到优异力学性能的仿贝壳状复合材料。人们根据这一交错结构特点，用ＳｉＣ作单晶片，
用石墨作基体，烧结成类似贝壳结构的复合材料，经实验测得，其断裂功提高了２个数量级。根据这一结构制作出的芳伦纤维增强树
脂，其断裂功比单相提高了８０倍［１
３］。图１ 文石晶体层横截面示意图
２．３ 仿生多孔材料
多孔材料具有比强度高、比面积高、密度小等特点，可以通过水热合成、压缩烧结等方法制作而成。天然多孔材料孔道结构的排列及规则程度差异很大。海胆刺是一种多孔材料（图２），孔径大小为３０～
５０μｍ，
孔道为无序结构。生物的这种孔道结构与物质的传输有关联，海胆的这种三维多孔结构能减轻自身的重量，并且具有优良的力学功能。海胆是生存４．５亿年的古老生物，
分布十分广泛，从海岸边甚至５
０００ｍ的深海，能抗击巨大海水的能量［１４］。实验表明，多孔材料具有分离、传感、缓冲减震、隔热、吸图２ 海胆刺的结构形貌
１６１ 第２期 郭帅帅，等：仿生材料研究综述
收能量的优异性能，用陶瓷制作成的多孔人工骨还具促进组织生长的功能。如今，一些多孔金属及陶瓷材料相继被研发出来，并且不断进行结构与功能的研究改进，以求合成更高性能的复合材料。其中用钛及其合金作为原材料仿生制作的人工骨骼、牙齿等在医学领域已经广泛应用，用无机非金属材料制作的多孔玻璃及泡沫塑料在航天航空方面得到广泛应用。
２．４ 仿生太阳能电池
众所周知，植物的叶绿体能通过光合作用将太阳能转化为化学能。美国普渡大学科学家利用纳米
碳管和ＤＮＡ等材料，
仿生研制出具有自我修复能力的太阳能电池，这种电池中被破坏的染料可以不断得到更新，
具有自我修复的能力，从而使用的年限大幅提高［１５］。我国科学家根据叶绿体的功能研制出新型的染料敏化太阳能电池，能直接将１１％的太阳能转化成电能，
成本较低，使用寿命较长［１６］。而且随着环保意识的增强，
有很强的市场竞争力，基于这些优点，今后将有更多的仿生太阳能电池被研发。２．５ 仿生传感器
仿生传感器的研发一直是研究热点，研究的范围越来越广泛，有视觉传感器、嗅觉传感器、触觉传感器［
１７］等。我国科学家用纳米材料制作出仿生电子皮肤［１８］，原理是将灵敏度高的导电纳米材料与微纳米结构柔性基底有效结合，导电材料在受到微小压力时能发生电信号的变化，把压力转换成可以识别的信号。这种仿生触觉传感的电子皮肤，能准确感知并获取微小压力变化的人体电流信号，对人体的生理状态进行及时检测，之后进行“逻辑思考”并相应调节控制。
３ 计算机仿生模拟
计算机模拟、高分辨率Ｘ射线成像技术［１９］、云计算、３Ｄ打印等技术的发展为仿生材料科学的研究
提供技术保障。先进的科学仪器可以从纳米级清晰观察研究材料微观结构，
分析成分组成，测试相关性能。利用计算机进行有机质的组装、结构动力学等仿生模拟分析。Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ等［２０］对于脂类分子
与ＤＮＡ之间的作用关系，采用了分子动力学方法对其模拟研究；Ｆｒａｎｋ等［２
１］用分子动力学方法对枝状配糖物聚集体进行了模拟，
结果显示末端糖单元类型及桥联基团会对聚集体构象有很大影响；刘泽军等［２２］成功对生物体表面非光滑形态进行了计算机模拟，为制作光滑形态试样提供了数学模型；谷云庆等［
２３］利用计算机模拟鲨鱼腮喷射流的减阻作用，得出仿鲨鱼腮部射流可以增厚出口下游的黏性底层，降低边界层流体的速度梯度，有效减小壁面剪应力。通过计算机模拟能清晰描述新型材料结构与自组
装的机理，
对材料进行定量分析并能从理论上对材料结构进行调整，观察材料结构功能的变化趋势，通过调整参数，拓扑结构优化，增强材料的性能，减少了实际模型研究的重复性，缩短了材料研发周期，提高了材料的设计制作效率。随着计算机的发展，模拟的范围不断扩大，从纳米级的凝聚态物质到宏观材料都可以进行模拟，为材料的发展提供了一条崭新的路径，拓展我们对材料的认识领域。
４ 结论与展望
材料作为当前新技术革命的支柱产业，受到世界各个国家的重视，仿生结构及其功能材料是材料科学的重要组成部分，尤其是仿生高性能材料研发极大地促进材料科学的发展。由最初的普通结构设计向微观化方向发展，由低维度向高维度发展，利用先进的科学设备进行模拟、构造、重组新型功能、环
保、智能一体化材料将是当前及以后的研究重点，并将对于医学、军事、工业设计等领域的快速发展有积极推进作用。
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３卷
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ｍａｔｅｒｉａｌｓＧＵＯ Ｓｈｕａｉｓｈｕａｉ，ＦＥＮＧ Ｗｅｎｊｉａｎｇ，ＺＨＵ Ｙｉｎｇ，
ＨＥ Ｊｉａｎｇｈａｉ，ＸＵ Ｙａｈｕｉ，ＱＩ Ｙｕｓｈｅｎｇ，
ＹＡＮＧ Ａｏｘｉｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ
１１００３４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｉｏｌｏｇｙ
ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒｍｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ａｓ ｉｓ ｋｎｏｗｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ
ｓｏｃｉａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂｉｏｎｉｃ ａｓ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｉｄｅａｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ．Ｆｒｏｍ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐ
ｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎ
ｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅｆｉｅｌｄ ｏｆ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｄｉｒｅｃｔｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔａｋｉｎｇ
ｎａｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｓ ａ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｉｎｋｉｎｇ，ｐｒｏｄｕｃｉｎｇｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｅｓ ａｓ ａ ｗａｙ
ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｐｐｒｏａｃｈ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｒｅａｔｌｙ
ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ３
６１ 第２期 郭帅帅，等：仿生材料研究综述
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