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從兔子眼角膜到超級材料！揭秘智能仿生材料的“自然密碼”

文章來源：賢集網更新時間：2025-04-29 14:57:01

在材料科學的演進歷程中，智能仿生材料作為新興領域，正以前所未有的態勢重塑行業格局。從對材料成分、結構與性能關系的傳統研究，到如今綜合制備、加工等多維度的系統探索，材料科學的每一次突破都推動著人類社會進步。而智能仿生材料的出現，不僅滿足了社會對材料智能性的迫切需求，更以其獨特的性能和廣泛的應用潛力，成為推動經濟發展與國防建設的關鍵力量。

智能材料作為新型先進材料，具備感知、驅動和控制能力，能對外部刺激做出適度響應。其核心功能涵蓋感知、反饋、響應、自診斷、自修復及自調節六大方面。例如，通過感知外界應力變化調整自身結構，或在受損時啟動自修復機制，這些特性使其在復雜環境下展現出強大的適應性。而智能仿生材料正是在此基礎上，以仿生學為設計靈感源泉，模仿生物體的結構與功能，通過多種材料復合與多級次、多尺度的科學組裝構建而成。

自然界為智能仿生材料的研發提供了無盡的靈感。兔子超親水的眼角膜、水黽超疏水的腿、豬籠草的超潤滑表面等，都是歷經數十億年進化篩選出的完美材料體系。科研人員通過對這些生物特性的深入研究，將其轉化為材料設計的創新思路，旨在研發出超越自然能力的智能仿生材料，實現基礎科學與應用技術的深度融合。

智能仿生材料的多元種類與性能優勢

智能仿生材料的發展呈現出基礎研究與應用緊密結合的特點，目前已形成仿生超親水、超疏水、超潤滑、減阻、結構、自修復等六大核心類別，每一類材料都以獨特的性能優勢在不同領域發揮重要作用。

仿生超親水材料表面與水接觸角小于5°，水滴可自發鋪展成膜，具備防霧、高效熱交換、自清潔等特性。常見的二氧化鈦、水凝膠等超親水材料，在浸沒式相變液冷散熱中可促進氣化更新，在自清潔玻璃領域能通過水膜帶走污漬，滿足高層建筑玻璃維護等需求。

仿生超疏水材料表面與水接觸角大于150°，水滴呈球形，其低表面能與高粗糙度的特性使其在油水分離、酶傳感器等領域表現卓越。由該材料制備的分離膜可選擇性透過油相，截留水相，有效解決工業含油廢水和溢油污染問題；在酶傳感器中，其水下超親氣特性可提升檢測性能。

仿生超潤滑材料受生物體內超低摩擦現象啟發，通過在多孔材料中涂抹潤滑液制備而成。其表面的潤滑油膜對多種物質黏附力極低，在海洋防污領域可替代傳統有毒防污涂料，在防黏附領域能減少黏性物質浪費，降低產品包裝成本。

仿生減阻材料模仿鯊魚體表盾鱗、蚯蚓非光滑體表等生物結構，可減少運動物體與流體間的摩擦阻力。在航行器設計中，應用該材料能提升航速、降低能耗；在地面機械領域，可解決土壤黏附導致的能耗增加問題，提高農業機械作業效率。

仿生結構材料以貝殼、骨頭等生物材料為研究對象，通過借鑒其多級有序結構，制備出輕質高強的復合材料。如仿貝殼珍珠層的層狀復合材料，在強度、韌性和硬度上實現完美結合，可應用于汽車輕量化、高壓電氣裝備絕緣等領域，替代傳統材料。

仿生自修復材料仿照生物體自愈合原理，能主動修復外力造成的裂紋或缺陷。在輪胎防爆領域，噴涂自修復材料可防止爆胎；在混凝土裂縫修復中，可自動分泌黏結液填充裂縫，恢復材料性能，避免災難性事故發生。

全球競逐與中國突破：智能仿生材料產業的多維發展圖景

智能仿生材料的研究與發展受到全球廣泛關注，各國政府、科研機構及企業紛紛布局，推動該領域快速發展。美國國防部成立生物學特別工作組，聚焦生物新技術突破；俄羅斯先期研究基金會支持仿生學軍事應用研究；德國積極推動仿生科技產業化并主導國際標準制定。

在企業層面，眾多初創公司與傳統化工巨頭競相投入研發。美國Bimitech公司研發仿蜂鳥冷卻風扇，加拿大Biome Renewables公司制造仿生風力渦輪機，西班牙BEOnChip公司創建新型體外測試平臺。巴斯夫、杜邦等傳統化工企業則憑借技術優勢，完善智能仿生材料的功能化設計與生產實踐，加速商業化進程。此外，國際標準化組織、法國標準化協會等制定的相關標準，為智能仿生材料的規范化發展提供了重要依據。

經過數十年發展，中國在智能仿生材料領域已躋身世界前列，部分研究方向處于主導地位。中國科學院理化技術研究所江雷院士團隊的仿生超親水/超疏水材料、中國科學技術大學俞書宏院士團隊的仿生結構材料等成果均達到國際領先水平。

國家對智能仿生材料研發給予大力支持，國家自然科學基金委、科技部等多部門部署多項重點項目，涵蓋能源轉換、農業裝備、生物醫用等多個領域。《“十三五”國家科技創新規劃》《“十三五”戰略性新興產業發展規劃》等政策文件，明確將智能仿生材料列為重點發展方向，為產業發展提供政策保障。

在應用層面，中國科研成果已實現大規模產業化。中科院理化所的仿生超親水材料應用于國家超級計算中心，提升散熱效率；北京中科賽納的自清潔玻璃應用于國家大劇院等標志性建筑；吉林大學任露泉院士團隊的仿生脫附減阻材料在農業機械領域節能減排成效顯著。這些成果不僅創造了巨大的經濟效益，更推動了相關產業的技術升級。

展望未來，智能仿生材料將在更多新興領域發揮關鍵作用。隨著5G、人工智能、新能源等產業的快速發展，對材料性能的要求將持續提升，智能仿生材料憑借其獨特優勢，有望成為解決技術瓶頸的核心力量。從自然中獲取靈感，在實驗室里實現突破，最終走向大規模產業應用，智能仿生材料正以蓬勃的生命力，書寫著材料科學的新篇章，為全球經濟發展與社會進步注入源源不斷的創新動力。

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