有哪些很有趣的仿生學研究成果？

知識 08-09

終於看到我關心的問題了，下面好好說一說，沒有圖和參考文獻，因為是用手機編輯，回去補上。

說到仿生，國內科研方面做得獨樹一幟的是江雷院士，查查有關江院士零幾年的文章，你會發現仿生的文章一大堆。江院士從荷葉的自清潔效應入手，首先發現了著名的「荷葉效應」，即微納複合多尺度的微觀結構與材料表面的化學組成決定了液滴在荷葉表面呈現球形，並且可以滾動（給予一個很小的傾角）。這種效應目前被廣泛的應用於各種自清潔表面，隨後，江雷院士小組又發現了另一種超疏水效應，玫瑰效應，液滴在玫瑰的表面雖然呈球形，然而無論你怎麼傾斜玫瑰葉片的表面，這個球型的液滴都不會滑動。甚至你把葉片倒過來，液滴還是牢牢的粘在葉片上。這種高粘附性的超疏水效應稱為玫瑰效應，可以用於微小液滴的運輸等方面。2007年，江雷院士課題組發現蒼蠅的眼睛有抗霧的效果，把蒼蠅置於高濕度的環境下，蒼蠅的眼睛能夠保持乾燥而不會凝結霧氣。這種效應也與超疏水效應有關，超疏水材料表面特殊的微納米結構（六方型密堆積的微米小球）有關，這種效應現在也被用於防霧材料的設計。2015年，江雷院士課題組的一片pnas揭示了水黽腳也有防霧的能力，主要與其腳部剛毛的超疏水性和彈性有關。感興趣的同學可以看看江雷院士關於超疏水的綜述，這種例子很多，我在之前的提問「Nature和Science上又有哪些腦洞大開的文章」里也有一些描述，還包括了哈佛大學Joanna課題組的關於豬籠草的論文。

來張綜述圖：Wang S, Liu K, Xi Y, et al. Bioinspired Surfaces with Superwettability: New Insight on Theory, Design, and Applications[J]. Chemical Reviews, 2015, 115(16):705-709.

有哪些很有趣的仿生學研究成果？

另一個關於仿生比較有前景的大方向是仿生離子通道，也是江雷院士課題組研究的內容。自然界中細胞膜上的離子通道通常具有非對稱的結構（通道的形狀的一個一邊大一邊小的孔，類似於幾何上學的圓台），而且其表面帶有一定的電荷，因此對於離子來說，具有選擇性通過的效果，即所謂的整流效應。說白了，就是離子通道允許陽離子或陰離子從一個方向通過，而反方向通過離子通道的陽離子或陰離子則會被阻止（並不是絕對的）。利用這一效應，我們可以實現對離子濃度和其運動狀態的控制，進一步的，可以實現發電（江雷院士小組2010在advanced functional material上報導了模仿電鰻設計離子通道從而發電的論文），其潛在的應用還存在於電池和生物學領域（我不搞這個，也只是道聽途說），是一個非常有前景的仿生領域。

最後還想補充點仿生學在輕質高強材料領域的應用。輕質高強，顧名思義，就是密度低強度高的材料，這些材料在航空航天領域有很重要的應用。一個非常著名的輕質高強生物材料就是蜘蛛絲，不要小瞧它，它比鋼還要堅韌。國外開展這一方面的研究已經超過20多年，取得了一些成果，不過想要廉價的大規模製備還是非常困難。除此之外，貝殼也是一種輕質高強材料，特別是鮑魚殼（由碳酸鈣等陶瓷材料和殼聚糖等高分子材料層層堆積而成，這種堆積使得材料結合了陶瓷和高分子的優點，硬且堅韌。陶瓷易碎但很硬，高分子軟卻很堅韌，當貝殼收到外界應力作用時，陶瓷材料起到了支撐、抵抗外力的作用，而高分子材料將外力分散，使得外力均勻作用在材料整體。這樣，陶瓷就不會因為一點受力而破裂）。近年來，科學家利用這種原理開發了很多陶瓷-高分子複合材料，大大減少了材料的密度（相比於金屬材料）。此外，有的研究者將貝殼中的陶瓷成分換成了石墨烯，這樣，高分子與片裝的石墨烯相互結合、相互作用，使得材料在很低的密度下呈現出很高的力學性能。北航的程群峰研究員做了很多類似的工作，大家有興趣的可以看看他們課題組的綜述。

好吧，寫的有點累了，以後有時間再更新。

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