1仿生技术的分类及主要研究内容
仿生技术广泛应用于众多学科领域，就目前国内外研究现状而言，大致可以分为以下几类：结构仿生、功能仿生、材料仿生、力学仿生、色彩仿生和形态仿生等[8]。
1.1结构仿生
结构仿生是通过研究生物体的构造，建造类似生物体的机械装置，通过结构相似，实现功能相近。结构仿生适用于产品设计和建筑设计。例如：模仿蜜蜂的六角蜂巢的紧凑结构制造飞机的机翼、火箭，不仅能以最小的材料获得最大的空间，而且能以单薄的结构获得最大的强度和刚度。
1.2功能仿生
功能仿生是通过研究动物的思维方法、运动形式等来使人造的机械能够部分地实现思维、感知和运动等高级动物功能的仿生技术。功能仿生必须以结构仿生为基础。例如：根据大脑功能仿生，可以用仿生的芯片代替脑部的部分特定功能区，用于治疗脑损伤；对动物视觉、听觉、触觉等感知功能进行模仿的仿生技术的研究，有助于许多工程问题的解决；纺织加工中的磨毛工序是新合纤仿真丝、仿桃皮绒、仿麂皮织物常用的整理工序，超细纤维织物经过磨毛，借助砂布上凸出的锋利磨粒将纤维拉出、割断，然后磨削成绒毛，从而掩盖织物表面的织纹，形成细腻、平整、密集的绒面，达到仿桃皮绒、仿麂皮效果。北极熊的皮毛具有御寒的功能，由此开发了仿北极熊绒毛的保暖材料。
1.3材料仿生
材料仿生是指模拟生物的各种特点或特性而进行各种材料开发的仿生技术。对人体材料仿生的研究在材料仿生中具有非常广泛的应用前景。例如：人体器官诸如人造血管、气管等仿生材料是通过织造、涂层等方法制备的。人体材料仿生为众多患者带来了福音，同时还大大推动了现代航空、航天、电子、环保等行业的发展。日本学者对人体牙齿结构的研究，认为这种结构对设计防止噪声的列车新干线很有启发。
1.4力学仿生
人体力学仿生主要研究人体结构与精细结构的静力学性质以及人体各个组成部分在体内相对运动和人体运动的动力学性质，从生物力学角度为疾病的预防、诊断和治疗及人工器官、医疗康复器械的设计与研制提供科学依据。例如：智能假肢，其主要功能特点是能根据外界条件变化和工作要求自动调整假肢系统的参数，使其工作可靠、运动自如。
1.5色彩仿生
色彩仿生就是模拟自然界景物的色彩，应用到产品色彩设计中。例如：蝴蝶的羽翼色彩缤纷，尤其是荧光彩蝶羽翼，在阳光下，时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。变色龙伪装织物的发现与发展，军事迷彩服的设计思路也源于色彩仿生。采用不易被发现的伪装色彩，大大减少了战斗中的伤亡。
1.6形态仿生
形态仿生是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改进其功能、形态而创造的更优良、多样化的形态。因此，人类造物的信息源都来自于大自然的仿生模拟创造。尤其是当今的信息时代，人们对产品设计的要求不同于过去，不只注意功能的优异、领先，而是追求清新、淳朴，注重返朴归真和探讨个性的自律。提倡仿生设计，让设计回归自然，赋予设计形态以生命的象征是人类对精神需求所达到的共识。仿生形态是机能形态的一种形式，既有一般形态的组织结构和功能要素，同时又区别于一般形态，它来自于设计师对生物形态、结构的模拟应用，是受大自然启示的结果。
2仿生技术在纺织中的应用
2.1超疏水防污自洁纺织品
Barthlott教授及其同事们认为，荷叶表面的自洁性来自于其粗糙的疏水表面，并将此现象命名为荷叶效应（lotus-effect）。除荷叶外，其他植物的叶子，如洋白菜、芦苇、郁金香，甚至一些动物（蝴蝶、蜻蜓等）的翅膀也有自洁性。而荷叶是所有植物叶子中自洁性最强的，水在其表面的接触角高达160.4°，这为制备仿生超疏水表面提供了新方法[9-11]。另外，荷叶表面具有防污自洁性还有一个重要的方面，在乳突与蜡晶共同构筑的微米-纳米粗糙结构里面储存着大量空气，由于空气与水的接触角为180°，当水滴落到荷叶表面时，在乳头状突起、空气层及蜡晶的共同作用下，使得雨滴不能渗透（如图1），只能自由滚动，并将表面污物带走[12]。仿生超疏水性表面通常具有微纳米的双重结构和低的表面能。目前，国内外研究者构造超疏水性表面通常采用2种途径：（1）在疏水性材料（接触角大于90°）表面构造出合适的粗糙度；（2）在具有合适粗糙度的材料表面用低表面能（如氟化物）的化学物质进行化学修饰[13-14]。Shang[15]通过溶胶-凝胶法和自组装制备出透光率很好的超疏水性纳米TiO2表面。他们首先通过调整溶胶凝胶的微观结构获得一个理想的表面粗糙度，再通过引入含氟的官能团对其表面进行自组装化学修饰以降低其表面能，从而得到超疏水性表面。Gu等[16]通过观察和分析蝴蝶翅膀的结构，利用纳米化乳白的反表面构造出一个仿生的可装饰性材料，再用氟化硅烷修饰，即可得到超疏水性能。水滴与其表面的接触角为155°。Roig等[17]通过溶剂的超临界挥发和表面化学修饰构造出超疏水性的多孔硅凝胶。由于超疏水性表面具有防水、防雾、防污染、抗粘连、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点，超疏水织物可用于纺织建筑材料、建筑膜材料、医用防护材料、防雨材料，在户外帐篷、军用作战服和滑雪服等方面有很大的市场。
2.2军事伪装服
隐形技术是军事伪装服的重要仿生内容[3]。在动物界中，最典型的例子有枯叶蝶和“变色龙”。枯叶蝶的翅膀两面色彩是不同的，正面鲜艳，背面呈褐色，间有深色条纹，落在树枝上时两翅合拢，翅的背面向外，模样像一片枯叶，它就是使用保护色和拟态把自己装扮得与外界环境中的物体一样以逃避敌害。蜥蜴的避役术源于它身体的颜色能随着环境温度和光线强弱的不同而改变，从而使敌害视而不见，人们通常称为“变色龙”。变色龙能随环境的变化而自动变色，因为它多层皮肤的细胞内含有可移动的色素，从而改变了体色。国外一些科学家对动物自动变色机理进行了研究，发现变色龙的皮肤中有红、绿、蓝3种色素细胞，其色素微粒会灵活地扩散或凝聚。当它们的眼睛看到环境色彩，大脑接到视觉信号后，就从脑垂体发出变色信号，通过不同的组合方式扩散或凝聚，从而变幻出各种色彩来。在此基础上，人们采取了仿生技术开始研制和制造类似变色龙的有机色素来制造会自动变色的服装。目前，美、日等国已研制出一种变色纤维并制成服装，士兵着此装伏卧在鲜花盛开的草原上，就能有选择地吸收环境的光波而自动变色。日本Kanebo公司利用变色龙会随着光线强弱而变色的原理，将吸收350~400nm波长紫外线后，由本色变为浅蓝色或深蓝色的光敏物质包合在微胶囊中，用印花工艺制成了光敏变色织物。东丽公司则根据其随环境温度改变体色的机理开发了一种温度敏感织物，这种织物是将热敏染料密封在直径为3~4μm的胶囊内，然后涂在织物的表面。它有4种基色，但可以组合成64种不同的颜色，在温差超过5℃时发生颜色变化，温度变化范围为-40~85℃。针对不同的用途可以有不同的变色温度：滑雪服装的变色温度为11~19℃，妇女服装的变色温度为13~22℃，灯罩布的变色温度为24~32℃等[18]。
2.3功能纺织品开发
在电子显微镜下观察，鲨鱼皮是由无数重叠的鳞片(皮质鳞突)组成的。这些鳞突在长度方向有凹槽，不仅可以调整水在其表面的流动，同时还可以阻止漩涡或湍流旋涡的形成[20]。科学家通过对鲨鱼皮肤组织结构及其水阻力影响的研究，研制出了仿鲨鱼皮泳衣和特种减阻材料。仿鲨鱼皮泳衣的研发，克服了游泳时水的阻力。近年来，中空纤维的种类和应用范围正在不断扩大，这源于对北极熊毛发的研究，美国科学家通过高倍电子显微镜观察发现，北极熊的毛与老虎、狮子等动物的毛是不同的，其中间是空的管状结构，每一根毛都相当于一根微小的“光导管”，能让外界的紫外线透入，并把它阻隔在里面，不仅保温性好，而且还有自动增温的作用。于是，科学家就根据北极熊毛的结构，研制出一种质量轻、弹性好、蓬松度高、保温性好，同时又具有抗菌性、防臭性和较强抗紫外线能力的人造中空纤维，用它制作的防寒军服大大提高了服装的保暖性，同时对人体的皮肤还有保健功能[21-22]。上海寇高科技研究所科技人员利用仿生学原理，通过对动物皮毛结构的研究，设计出了具有防风和导湿作用的KEG多功能保温面料。动物毛皮在近皮处生长绒状毛，外表覆盖长毛，这种结构赋予了毛皮生态御寒功能。纤维的各种形态中，绒状结构储存的空气量最大，生物体利用空气阻热的性能，可达到最佳的保温状态；而长毛横向风阻量最大，抗风作用好。这样的动物皮毛起到了绒状毛阻挡体温向外散发，横向长毛阻挡寒风向内入侵的作用。另外，动物的生皮有弹性，又能导湿[17]，为KEG保温材料的研究提供了仿生模型。KEG面料借鉴动物皮毛的结构，将里层制成粒绒状结构，能把人体散发的热气储存在粒绒的空气中。中间层由两层物质构成：一层是人造纤维制成的骨架，另一层是涂于网状骨架中的复合化学元素，其密度介于热气分子和空气分子之间，形成了热气分子能透过而风却不能透过的现象。最外层可根据不同的功用做成不同的装饰层。由于人造纤维的弹性特点，其服装可防止领口、袖口和裤口窜风。根据KEG面料轻、薄、软的特性，可做成运动装、海军服和特种兵服装等；因其具有防静电、防水、防油、阻燃等功能，集皮衣、雨衣、风衣和棉衣的功能于一身，适合在恶劣条件下使用[23]。
2.4仿生智能材料的发展
生物体不仅具有思维的能力，还具有对外界刺激产生响应的能力（即“智能”），是生物体特有的属性。所谓“智能”是指生物体对环境条件或环境因素的刺激有感知并能做出反应，其源于为适应环境的需要逐渐演变而成的独特结构。如果利用人工材料模拟自然界生物体的结构和性能来设计纺织品，使其获得由这些结构带来的“功能”，即为仿生智能纺织品。如：模拟松果随温度变化做出开放或收拢的特点，人们产生了开发一种能随温度变化自动开放或收拢的服装面料的设想，用这种面料制成的服装，可应对气温的变化无常，对这一从“大自然找灵感”的研究，是非常吸引人的。智能纤维材料的开发与设计可以从2个不同的角度出发：（1）仿生技术，智能材料设计的出发点是生物体所具有的环境感知性和响应性；（2）从智能纤维材料本身的结构特点出发，找出智能材料结构的共性，从而合成、加工并设计出不同的智能特性材料[23]。生物体的智能可激发人们仿生的想象力。当今，人们已进入“智能纺织品”和“智能服装”的神奇时代，按照仿生设计的思路设计纺织品，赋予其对环境刺激响应的“智能”，具有无限的潜力和机遇，将是仿生纺织品发展的重要趋势[24-27]。智能纤维织物的特点：信息感知、学习预见、反馈传递、响应性、自维修、自诊断、自动平衡、自适应。运用仿生学原理，通过对动物身上的皮、毛，植物上的硬壳和气孔的仿生研究，可以生产出智能纺织品或纺织原料。服装的基本要求就是舒适，而传统的服装和一些传统的特殊用途服装由于材料的限制无法满足需求，智能材料的引进解决了这一问题，使织物更加防水透气，并有温度调节功能。如日本利用仿生学原理研发出一种聚氨酯形状记忆聚合物，可用于制造舒适和防水透湿的智能服装DIAPLEX[28]。目前，仿生智能材料广泛应用于建筑、医疗、飞机制造、军事领域等，甚至在将来，日常生活中也可以看见智能仿生材料的产品。
3结语
近20年来，随着化学和生物科学的发展，仿生技术已有很大的发展，仿生技术在纺织业中的应用也日渐广泛。仿生学是一门多学科的边缘科学，在各行各业都有广泛的应用。纺织工业是一门古老的传统产业，中国入世后发展迅速，在纺织面料和服饰的设计，在新产品的开发中，仿生学拓宽了纺织科技人员的思维想象力。当前，纺织品正快速地由高时尚向高科技发展。仿生技术和纺织技术的融合，为仿生纺织品的发展提供了全新的途径，有极为广阔的开发前景。
作者：姚连珍 杨文芳 梁庆忠 单位：天津工业大学纺织学院 先进纺织复合材料教育部重点实验室
