进入21世纪以来，智能材料系统的领域不断拓宽，内涵逐渐扩大，呈现出与仿生技术等密切结合的特点，发展出智能仿生材料这一新兴领域。

 

智能仿生材料江雷　董智超　李储鑫1 背景需求及战略意义2 国际发展现状及趋势3 国内发展现状4 主要任务及存在主要问题5 产业发展的对策和建议6 技术预判和战略布局

1.1 智能材料的定义材料科学的发展在一定程度上是人类社会进步的前提近年来，材料科学已经从对材料的成分、结构与性能间相互关系的研究逐渐演变到对成分、制备、结构、加工与性能间综合系统的研究发现和发展新型先进材料是推动材料科学领域进步的关键。

新材料的问世加快了社会的发展，而社会的高速发展又反过来对材料的智能性等提出了新的需求智能材料作为一种新型先进材料，一般具有感知、驱动和控制能力，在接收外部刺激后能做出适度的响应具体来说，智能材料应具备或部分具备如下功能和特征。

①感知功能：能够感知和识别外界或自身所施加的声、光、电、热、磁、应力等刺激的强度；②反馈功能：利用传感网络，将所受刺激的强度及其变化传递至控制系统；③响应功能：能够按照预定的方式，依据刺激的强度与变化适时做出恰当的反应；

④自诊断功能：能够自行分析比较材料系统的状态变化，对系统产生的故障等问题进行自诊断并实现校正；⑤自修复功能：针对系统所受到的损伤，能通过原位聚合、自生长等再生机制进行自我修复；⑥自调节功能：为应对外部环境的持续变化，能及时自发地调节自身结构与状态，使材料系统能够以一种优化的方式做出响应。

进入21世纪以来，智能材料系统的领域不断拓宽，内涵逐渐扩大，呈现出与仿生技术等密切结合的特点，发展出智能仿生材料这一新兴领域。

1.2 智能仿生材料概述仿生是研发智能材料的重要设计思路自然界的生物体经过数十亿年的演化，具备了应对各种极端生存环境的能力每一种生物体都是历经漫长“进化战争”后出类拔萃、身怀绝技的生物战士例如，兔子具有超亲水的眼角膜，具有防雾的能力；水黾有着超疏水的腿，可以在水上行走自如；猪笼草的超润滑表面可以有效防止被捕获昆虫的逃离；鲨鱼和蚯蚓则分别进化出在水中和土壤中减阻的皮肤；贝类轻质高强的外壳可以有效抵御捕食者；壁虎的尾巴在受伤后具有快速愈合的能力。

从材料学的角度出发，生物体所经历的优胜劣汰也可以看作是难以计数的生物材料历经各种复杂苛刻的外界环境考验后筛选出最优材料体系的过程因此，向自然学习是先进材料最重要的发展方向之一，也是科技进步永恒的主题各式各样的生物体为研究人员开发和研制新型智能仿生材料提供了取之不尽的灵感源泉。

智能仿生材料是指受生物体启发、模拟生物体的各种特性，依据仿生设计和材料的多功能复合这一设计理念，由多种材料复合，通过多级次、多尺度的科学组装而构建的先进材料体系科研工作者通过学习自然，模拟自然，实现结构及功能的有机结合和协同互补，最终研发出具有超越自然能力的智能仿生材料，在基础科学和应用技术之间搭建桥梁。

1.3 智能仿生材料种类与性能特点智能仿生材料的发展呈现出基础研究与应用研究密切结合的特点近年来，全球专家通力合作，开发出一批性能可靠、特点突出、加工简易、造价便宜的智能仿生材料根据材料的产业发展程度，本章节将重点介绍仿生超亲水材料、仿生超疏水材料、仿生超润滑材料、仿生减阻材料、仿生结构材料、仿生自修复材料这6种智能仿生材料的性能特点与产业化应用（图14-1）。

（1）仿生超亲水材料超亲水表面与水的接触角小于5°，水滴在超亲水表面上会自发快速铺展成一层水膜在自然界中，兔的眼角膜、水榕的叶片等都具有超亲水性研究人员通过观察和学习自然界中存在的天然超亲水表面，设计并制备出了多种仿生超亲水材料。

常见的仿生超亲水材料包括二氧化钛、氧化铜、二氧化硅、水凝胶等，一般具有较大的表面能，与水滴和雾滴有着强烈的吸引力，具有防雾、提高表面热交换效率、自清洁等特点，在诸多领域表现出强劲的应用潜力（2）仿生超疏水材料

超疏水表面与水的接触角大于150°，水滴在超疏水表面会呈现球形出淤泥而不染的荷叶就是超疏水表面的一个典型代表此外，自然界中的水黾腿、蝉翼、水稻叶等同样具有超疏水的表面研究发现，较低的表面能与较高的粗糙度是实现超疏水的必要条件。

仿生超疏水材料的制备工艺一般分为两种，一种是在低表面能物质上构筑粗糙结构，一种是在粗糙结构上沉积低表面能分子仿生超疏水材料在生产生活中具有广泛的应用比如，仿生超疏水材料用在服装、领带、雨伞、鞋靴等纺织品上，能起到防水防雨的效果；用在电路板、变电箱等电子设备上可以防止因沾水造成的短路；用在高降雪地区的电线上可以预防因积雪造成的电力中断。

（3）仿生超润滑材料无论是生物体的运动还是机械设备的运转都需要润滑剂的保护生物体内的诸多界面之间具有超低的摩擦系数，比如人体的关节软骨之间只有不到0.03的摩擦系数，眼睑与眼球间的摩擦系数更是低至0.005。

在这当中生物大分子润滑剂和黏液起到了非常重要的润滑作用此外，食虫植物猪笼草也会分泌一种润滑液体，可以有效防止被捕获的昆虫脱离束缚受此现象启发，研究人员发展了在多孔材料中涂抹润滑液的工艺用于制备仿生超润滑材料。

仿生超润滑材料的多孔结构表面能够牢牢束缚一层润滑油膜这层油膜对水滴、微生物、蛋白质等诸多物质的黏附力极低，只需借助微小的外力就能有效去除残留在表面的污垢因此，仿生超润滑材料在海洋防污、界面润滑、除冰等领域有着重要的应用。

（4）仿生减阻材料无论是在海中遨游还是在土壤中穿行，生物体都需要克服外界的强大阻力自然界中的一些生物体进化出优异的减阻本领比如在海洋中游行的鲨鱼，其体表处进化出细小的盾鳞，起到优异的减阻作用蚯蚓体表具有几何非光滑特征，赋予其在黏湿的土壤中活动自如的能力。

通过学习自然界生物体的减阻策略而制备的仿生减阻材料，具有减少运动物体和外界流体间摩擦阻力的作用，对于设计和制造新型交通工具或是流体输运设备有着重要意义，同时也有助于实现节能降耗的目的（5）仿生结构材料生物结构材料广泛存在于动植物中，其中最普遍的研究对象是贝壳、骨头、木材和牙齿等。

尽管构成这些生物材料的成分不尽相同，形成的结构也各有差异，但是它们都具有十分优异的力学性能例如贝壳珍珠层作为一种典型的无机/有机复合生物材料，实现了强度、韧性和硬度的完美结合，具有超越塑料、陶瓷、金属等人造材料的力学性能。

人类对生物结构材料的研究已有上百年的历史，研究内容主要包括生物结构材料的生长机理和微观结构等通过长期的观察，研究人员认识到多级有序结构是提升材料宏观性能的关键，并参照这一原则制备了性能优异的仿生结构材料。

例如，参照贝壳珍珠层制备的仿生高强超韧层状复合材料、参照鲍鱼壳制备的仿生高性能芳纶云母绝缘纳米纸等仿生结构材料具有轻质高强的特点，有望取代工程塑料，在精密仪器结构件、空间材料、轻量化抗冲击材料等领域具有广阔的应用前景。

（6）仿生自修复材料自愈合是生物体的重要特征，核心在于物质补给和能量补给仿生自修复材料是指仿照生物体损伤自愈合的原理，研制出的具有自诊断和自修复功能的智能材料，能够对外力造成的裂纹或缺陷主动进行修复，从而维持材料结构和性能的完整性。

常见的仿生自修复材料包括无机非金属材料、金属材料、高分子材料及复合材料美、日、德等发达国家在仿生自修复材料的基础和应用研究中都投入了大量的资助美国更是将仿生自修复材料作为武器装备更新换代的关键技术，并予以大力支持。

1.4 智能仿生材料 产业发展的背景需求智能仿生材料作为一种新型功能材料，一个重大的特点就是依据产业发展需求具备可设计性同一种智能仿生材料通过精巧的设计可以用于几个截然不同的领域，对于推动材料科学的基础研究和产业化应用有着重要意义。

01相变液冷散热领域大数据、5G、人工智能、区块链、云计算等高性能大型信息系统对散热领域提出了非常苛刻的要求浸没式相变液冷依靠液态冷却媒介沸腾时的液-气相变潜热吸收持续传热降温，较传统风冷技术可提高3500倍以上的换热效率，然而冷却媒介沸腾过程中存在气泡不易脱附的问题，严重影响了换热效率。

仿生超亲水材料具有水下超疏气的特点，应用于浸没式相变液冷可以降低气泡表面黏附力，能在低过热温度下促进剧烈气化更新、实现高效潜热交换，将在强化液冷散热技术中发挥重要作用02自清洁玻璃领域自清洁玻璃作为一种低维护成本的玻璃，仅通过雨水就能实现自身的清洁，完美解决了高层建筑玻璃清洗过程既费时费力又带有危险性的问题。

此外，太阳能电池板、浴室镜子、汽车后视镜等终端也对自清洁玻璃有着广泛的需求根据恒州博智的调查结果显示，2018年284中国新材料产业发展报告全球自清洁表面玻璃市场总值达到了6亿元，预计2025年可以增长到9亿元，年复合增长率为4.4%。

仿生超亲水材料可以快速铺展雨滴、水滴或雾滴，形成均匀的水膜，并通过水膜自身的重力带走污渍，具有自清洁、防雾、防霉、杀菌、防酸防碱、防老化、治理污染等功能，可以放置在人工不方便清洁的区域，满足自清洁玻璃的诸多需求。

03油水分离领域由于工业含油废水和生活污水排放的增多以及溢油事件的频繁发生，油水污染已经严重威胁了人类健康和生态环境人口和经济的迅速增长也对纯净的水源提出了更大的需求因此，除油或者将油水高效分离已成为急需解决的重大问题。

仿生超疏水材料具有超疏水超亲油的特点，由仿生超疏水材料制备的分离网、分离膜、分离海绵可以选择性透过或吸收油水混合物中的油相，同时截留水相，应用于油水分离领域具有分离效率高、可回收性好等优点04酶传感器领域

开发高效生物检测技术对精准医疗和人民健康至关重要，已成为国家发展的战略需求血糖、尿酸、胆固醇等血液（或体液、组织液）生化指标同人体健康和生命安全息息相关，其精准检测对于疾病预防和诊断治疗有着重要的指导意义。

氧化酶法是卫健委临床检验中心对该类疾病生化标记物床旁检验的推荐方法以氧气为电子受体，通过测量电极表面氧化酶催化反应产物过氧化氢来对底物进行检测，是开发酶传感技术的理想途径氧化酶催化反应通常发生在电极/电解液两相界面，由于溶液中氧气浓度低且易于波动，抑制了氧化酶催化反应动力学，限制了酶传感检测的线性范围、灵敏度与准确性。

仿生超疏水材料具有水下超亲气的特点，应用于酶传感器领域可以改变界面供氧途径，实现酶催化动力学的提升和持续稳定，是一种极具潜力的酶传感器材料05海洋防污领域海洋生物污染一般是指海洋生物附着在船体或海洋人工设施的表面。

对船体或潜艇而言，海洋生物的附着会增加其重量和运行过程中的阻力根据美国的统计结果，一年中美国海军由于海洋生物污染造成的经济损失高达1.8亿～2.6亿美元同时潜艇如果被海洋生物大量附着，不仅会降低速度增加油耗，也更容易被声呐探测到，生存概率会降低。

随着我国走向深海战略的实施，船舶和海洋设施的防污问题就显得更加重要早期防污是采用在油漆中加入毒素的方法实现的，该方法对海洋有严重污染，目前已被大多数国家禁用仿生超润滑材料用作船舶的防污涂层既不释放毒素，也不逐层脱落，可以依靠涂层的物理和化学性质来实现环境友好、长期有效的海洋防污。

在保护海洋环境的大趋势下，仿生超润滑材料具有广阔的市场前景06防黏附领域世界上每年销售的含有黏性物质的产品，如食品、药品、化妆品等超过500亿份诸如蜂蜜、酸奶、乳液等高黏性物质在容器中的黏附是一种常见的现象。

据统计，每年因黏附在容器内壁而无法被利用的产品有数百万吨，足以装满11万辆重型卡车，造成极大的浪费冰285第14章智能仿生材料第四篇前沿新材料4在固体表面难以脱落也是一种典型的黏附现象，影响公路运输、飞机、电线、风机涡轮等方面的安全运作。

因此，开发出有效的防黏附材料具有重要意义仿生超润滑材料具有独特的液体边界层，可以减少液体与固体的接触，黏附力极低在仿生超润滑材料上积聚的液体会在重力或者微弱外力的作用下滑落，是防止高黏液体或是冰晶黏附的有效手段。

07航行器减阻领域在现代飞机飞行过程中，与空气产生的摩擦阻力约占总阻力的50%在管道运输过程中，80%的能量用于克服表面摩擦阻力舰艇在航行时，与海水摩擦产生的阻力约占总阻力的70%～80%航行过程中的阻力不仅大幅减缓了舰艇的作战速度，还造成了能源的浪费。

通过仿生减阻的方式可以有效地降低舰船在航行过程中所遇到的阻力，进而提升舰船的航速美国宇航局（NASA）将发展仿生减阻材料称为未来航空产业的关键技术仿生减阻材料对于飞行器的设计至关重要，是实现飞行器提速、延长飞行器续航时间、减少飞行器燃料损耗的关键一环。

将仿生减阻材料进一步应用至军事领域，将极大地减少军用设备的磨损，提高武器等军用设备的使用寿命，尤其是有助于降低军队舰船在航行中的阻力，大大提升舰船的航行速度与航行里程，这项技术将对国防事业产生至关重要的影响。

08地面机械脱附减阻领域地面机械在行走和作业中存在土壤黏附重和阻力大的问题，是工程领域科研人员长期致力解决的重大技术难题尤其是在农业领域，土壤黏附使阻力增加30%以上，耕整机械能耗增加30%～50%随着农业领域中的工厂化育苗、机械化移栽、精密播种、侧深施肥、地膜覆盖等大中型机械化农业装备的用量逐年增加，脱附减阻技术的发展变得迫在眉睫。

09汽车轻量化领域汽车轻量化是当今汽车发展的趋势，合适的轻质高强材料可以大大降低汽车重量，不但节能环保，而且安全性有保证据统计，汽车重量减轻10%，燃油效率可提高6%～8%，油耗可降低6%～10%，并且排放随之减少，既节能又环保，因此汽车轻量化发展势在必行。

但是材料的轻量化与结构强度往往存在矛盾仿生结构材料具有轻质高强的特点，其密度仅为钢的六分之一，而比强度、比韧性均超过传统合金材料、陶瓷和工程塑料因此采用仿生结构材料来替代普通钢板将成为汽车轻量化的主要发展方向。

10高压电气装备绝缘领域高性能芳纶云母纸是中高压电气装备的关键绝缘材料随着高铁、核电、电力电缆、航空航天等领域的快速发展，高性能绝缘纸材料的需求量不断增加仿鲍鱼壳高性能芳纶云母绝缘纳米纸，作为新一代绝缘材料，可以用于中高压电气装备行业中。

开发仿鲍鱼壳高性能芳纶云母绝缘纳米纸对我国在中高压电气装备关键绝缘材料方面实现自主可控具有重大意义11轮胎防爆领域据不完全统计，高速公路上42%的意外交通事故是由爆胎造成的在车辆高速行驶过程中发生爆胎时，驾驶员无法及时做出反应是爆胎演变成交通事故的根本原因。

尤其是载重汽车，由于质量和惯性较大，出现爆胎后驾驶员很难做出有效反应因此，防止轮胎在高速行驶过程中爆破，提高行车安全性成为轮胎设计人员关注的重点轮胎领域迫切需要一种可以在触碰尖锐物后及时修复的技术仿生自修复材料具有受损后自主修复和愈合的特性，喷涂在轮胎上可以较好地解决轮胎爆胎的问题。

12混凝土裂缝修复领域水泥混凝土是当今使用最广泛的建筑材料，也是目前最大宗的人造材料然而，混凝土材料本身脆性大，在使用过程中由于疲劳效应、腐蚀效应和老化，混凝土结构将产生损伤积累和抗力衰减，从而产生微开裂和局部损伤。

混凝土内部出现的微损伤既不容易被探测也难以修复这可能会引发混凝土宏观裂缝并出现脆性断裂，从而导致严重的灾难性事故和难以挽回的生命和财产损失仿生自修复材料非常适合用于解决混凝土微裂纹的修复问题当仿生自修复混凝土出现裂纹时，能够自动分泌出黏结液并渗入裂缝中，使混凝土裂缝重新愈合，恢复甚至提高混凝土的性能。

1.5智能仿生材料对国家发展战略及经济和国防建设的重要意义人类生产生活水平的提高依赖材料的发展自20世纪80年代以来，航空航天、电子设备、机械制造等高新技术领域都迎来了快速的发展，人们对材料的强度、结构、理化性能等提出了越来越严苛的需求，而传统材料的发展已经不能满足这些技术需求的增长。

因此，材料的发展势必要引入新的设计理念受自然界动植物各项特性启发而设计和制备的智能仿生材料具有功能化、智能化、个性化的特点，具有许多传统材料难以替代的优势，在经济发展和国防建设领域有着重要的应用价值智能仿生材料是诸多新兴产业发展的重要支撑。

为相变液冷散热、自清洁玻璃、油水分离、酶传感器、海洋防污、防黏附、航行器减阻、地面机械脱附减阻、高压电气装备绝缘、轮胎防爆、混凝土裂缝修复等国防和民生领域提供了材料基础发展智能仿生材料不仅能创造大量就业岗位、加快推动传统材料产业进行转型升级，同时也有望促进新原理、新技术、新材料、新产品的涌现，成为我国经济发展和国防建设的有力支撑。

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