名师讲科技前沿系列--图解仿生技术

仿生学是通过研究自然界生物的结构、性状、行为及对环境的响应机制，继而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是连接生物与技术的桥梁。仿生技术是结合前沿科学方法与技术手段，为实现产品结构、功能及智能仿生而衍生的先进技术，属于材料科学最先进的发展方向之一。
承蒙国家自然科学基金面上项目（31770605、32171693）、吉林省自然科学基金（YDZJ202201ZYTS441）、吉林省发改委产业创新专项资金项目（2023C038-2）、吉林省优秀青年项目（20190103110JH）、科技部国家重点实验室开放基金（K2019-08，KFKT202213）、重点实验室开放基金（SWZ-MS201910）、吉林省教育厅科学技术研究项目（JJKH20210050KJ）、吉林市杰出青年项目（20200104083）的资助，本课题组坚持了十年的预研和立项研究工作，以仿生技术为核心手段，做了大量关于仿生智能材料的开发尝试。坚持学科交叉融合的科学理念，并结合未来的生产技术与工业应用需求，编写了《图解仿生技术》一书。其主要特点如下：
（1）聚焦不同材料的仿生智能化制备技术
详细介绍了自组装技术、喷/滴涂技术、溶胶-凝胶技术、化学沉积技术、水热合成技术、溶剂热合成技术、真空-高压浸渍技术、磁控溅射技术、模板技术、静电纺丝技术、原位聚合技术、异相成核技术、刻蚀技术、电化学沉积技术、化学镀技术、相分离技术、3D打印技术、冷冻干燥技术、交替沉积技术等具体实施手段的作用原理，为实现不同材料的高科技利用，提供新的途径。
（2）系统介绍仿生技术在不同领域的应用
全书包含仿生学与仿生材料、仿生技术制备特殊润湿性材料、仿生技术制备智能（响应）材料、仿生机器人与传感技术、仿生技术的发展与应用五个章节，由浅入深、图文并茂地向读者介绍了如何通过仿生技术中的各种具体实施手段及不同技术之间的交叉融合，获得一系列性能仿生与智能响应材料，并进一步予以结构与功能优化。
（3）注重学科交叉融合、体现前瞻性和先进性
本书注重多学科的科学理论交叉融合以及先进制备技术的具体运用；综述了仿生技术及合成的仿生智能材料在智能机器人、药物递送、海水淡化、结构损伤检测、可穿戴电子器件、水体净化、海上油污处理、健康监测、智能探针等领域的研究新进展；引用了国内外诸多专家学者的大量相关文献资料，并重视其研究内容的先进性、前瞻性和实践性。
感谢本课题组的研究生施镭、周凝宇、安聪聪、李正辉、郑定强和龙寿富，他们在本书的编写过程中积极、热情地做了许多有益的整理工作。最后，向关心和参与本书编写的所有同仁表示由衷的感谢！对书中所引用的文献资料的作者表示诚挚谢意！
本书是作者在参考大量国内外文献并总结所在课题组多年研究成果的基础上编写而成，内容广博，具有一定撰写难度，限于时间和作者水平，欠妥之处恳请读者不吝赐教，谨致谢忱！

张明　
2023年9月

仿生技术是利用自然的仿生原理与最前沿的科学技术手段，设计开发具备特殊优异性能的功能材料和智能材料，属于材料科学与技术最先进的发展方向之一。本书从自然界具有特殊优异性能的生物结构与组成出发，分析了仿生材料的设计理念、产品结构与功能/智能关系，阐明了仿生技术具体实施手段的作用机理、具体选用与过程参数对目标产品结构与功能/智能的影响规律，系统介绍了仿生技术在不同领域的应用，图文并茂。本书可供新能源材料，高分子材料，环境工程，碳素材料，纳米材料，生物质资源物理、化学和医用材料等专业学生学习，也可供从事相关行业的研究、生产和管理人员阅读参考。　

张明，女，1987年11月生，中共党员，研究生学历，东北林业大学和美国宾夕法尼亚大学联合培养博士，师从李坚院士，合作导师王成毓教授、杨澍教授、时君友教授。现就职于北华大学材料科学与工程学院，仿生材料研究室负责人，副教授。自2014年9月任教以来，先后担任本科生及研究生课程近20门，如仿生智能材料、天然功能高分子材料、生物质纳米化学、生物质纳米复合材料组装技术等。长期从事植物纤维素生物质的仿生特殊润湿性制备与水体净化机制、纤维素纳米纤丝化处理、改性与功能、智能性组装。先后主持吉林省发改委产业创新专项（2023C038-2）、吉林省自然科学基金项目（YDZJ202201ZYTS441）、吉林省优秀青年人才基金项目（20190103110JH）、吉林省教育厅科学技术研究项目（JJKH20210050KJ）、科技部国家重点实验室开放基金项目（K2019-08，KFKT202213）、国家重点实验室开放基金项目（SWZ-MS201910）、吉林市杰出青年人才基金项目（20200104083）等科研项目。在国内外权威期刊发表论文近50篇，其中，SCI收录近40篇（H因子20，二区以上近30篇，总影响因子大于200，他引总频次大于1500），出版学术著作2部；申请国家发明专利10项，美国发明专利1项。

第1章　仿生学与仿生材料
1.1　仿生学简介 2
1.2　仿生材料  2
1.3　材料的结构仿生 3
1.3.1　贝壳及其层状结构  3
1.3.2　螳螂虾及其螯棒结构  4
1.3.3　蜘蛛丝及其纤维结构  4
1.3.4　木材及其独特孔道结构  6
1.3.5　骨骼及其有序结构  7
1.3.6　树根及其自修复性  9
1.3.7　棉花及其轻柔飘逸特性  10
1.3.8　铁定甲虫及其盔甲结构  10
1.4　材料的功能/智能仿生  11
1.4.1　荷叶及其超疏水性  11
1.4.2　蝴蝶翅膀及其结构色  11
1.4.3　北极熊皮毛及其保温性  12
1.4.4　贻贝丝足及其黏附性  13
1.4.5　变色龙皮肤及其变色机制  14
1.4.6　仙人掌及其集水原理  14
1.4.7　壁虎脚垫及其黏着性  15
1.4.8　水稻叶及其各向异性  16
1.4.9　鲨鱼皮肤及其减阻防污性  17
1.4.10　槐叶、猪笼草及其超滑性 18

第2章　仿生技术制备特殊润湿性材料
2.1　固体表面润湿性机制与模型  20
2.1.1　固体表面润湿过程  20
2.1.2　气/液/固三相体系润湿性模型 21
2.1.3　液/液/固三相体系润湿性模型 24
2.2　特殊润湿性材料简介 26
2.2.1　超疏水-超亲油性表面  26
2.2.2　超亲水-超疏油性表面  27
2.2.3　超双疏性表面  28
2.2.4　超亲水-水下超疏油性表面  29
2.2.5　杰纳斯（Janus）特殊润湿性表面 30
2.3　特殊润湿性材料的仿生制备技术 33
2.3.1　自组装技术  34
2.3.2　喷/滴涂技术  35
2.3.3　溶胶-凝胶技术  37
2.3.4　化学沉积技术  38
2.3.5　水热法、水热合成技术  40
2.3.6　真空-高压浸渍技术  41
2.3.7　磁控溅射技术  44
2.3.8　模板技术  45
2.3.9　原位聚合技术  45
2.3.10　异相成核技术 49
2.3.11　刻蚀技术 49
2.3.12　电化学沉积技术 53
2.3.13　化学镀技术 55
2.3.14　相分离技术 57
2.3.15　静电纺丝技术 60
2.3.16　3D 打印技术  62
2.3.17　冷冻干燥技术 65
2.3.18　交替沉积技术 68

第3章　仿生技术制备智能（响应）材料
3.1　磁场响应型智能材料 73
3.1.1　磁场响应材料的作用原理  73
3.1.2　仿生技术制备磁场响应材料  74
3.2　pH 值响应型智能材料 75
3.2.1　pH 值响应材料的作用原理 75
3.2.2　仿生技术制备pH 值响应材料  76
3.3　光响应型智能材料 79
3.3.1　光响应材料的作用原理  79
3.3.2　仿生技术制备光响应材料  79
3.4　温度响应型智能材料 82
3.4.1　温度响应材料的作用原理  82
3.4.2　仿生技术制备温度响应材料  83
3.5　电场响应型智能材料 84
3.5.1　电场响应材料的作用原理  84
3.5.2　仿生技术制备电场响应材料  85
3.6　力响应型智能材料 87
3.6.1　力致变色智能材料及其仿生制备  87
3.6.2　压阻压力传感材料及其仿生制备  88
3.7　离子刺激响应型智能材料  89
3.7.1　阳离子响应材料及其仿生制备  89
3.7.2　阴离子响应材料及其仿生制备  92
3.8　其他（多重）刺激响应型智能材料 93
3.8.1　气体刺激响应材料及其仿生制备  93
3.8.2　溶剂刺激响应材料及其仿生制备  95
3.8.3　湿度刺激响应型智能材料及其仿生制备  97
3.8.4　多重刺激响应型智能材料及其仿生制备  99

第4章　仿生机器人与传感技术
4.1　仿生机器人 102
4.1.1　仿生机器人分类  102
4.1.2　仿生机器人历史进程  103
4.2　陆地仿生机器人 104
4.2.1　足式机器人  104
4.2.2　跳跃机器人  107
4.2.3　攀爬机器人  108
4.3　空中仿生机器人 110
4.3.1　仿昆虫机器人  110
4.3.2　仿鸟机器人  111
4.3.3　仿蝙蝠机器人  112
4.4　水下仿生机器人 113
4.4.1 仿鱼机器人  114
4.4.2 仿软体类机器人  115
4.5 视觉仿生探测技术 116
4.5.1 仿螳螂虾视觉成像技术  117
4.5.2 仿鹰眼探测技术  119
4.5.3 仿鱼眼凝视红外成像技术  120
4.5.4 仿人眼视网膜传感技术  121
4.5.5 仿昆虫复眼成像技术  122
4.6 听觉仿生探测技术 123
4.6.1 人耳对声音的感知过程  123
4.6.2 仿人耳听觉感知模型  124
4.6.3 目标声音识别分类器  124
4.7 力觉、触觉处理技术 125
4.7.1 力触觉的物性信息识别  125
4.7.2 力触觉再现装置  126
4.7.3 力反馈数据手套  127
4.7.4 仿生皮肤  128
4.8 仿人机器人 128

第5章　仿生技术的发展与应用
5.1 药物递送领域 133
5.1.1 蛋白质类原料  134
5.1.2 多糖类原料  135
5.1.3 纤维素气凝胶类  138
5.1.4 壳聚糖类  140
5.1.5 海藻酸盐类  141
5.1.6 复合纤维素类  143
5.2 海水淡化领域 144
5.2.1 直接炭化木材  145
5.2.2 碳纳米材料与木材复合  147
5.2.3 半导体材料与木材复合  149
5.2.4 高分子聚合物与木材复合  150
5.2.5 贵金属材料与木材复合  152
5.3 结构损伤检测领域 153
5.3.1 压电材料  154
5.3.2 外贴式压电传感器  155
5.3.3 表面涂覆式压电传感器  156
5.4 可穿戴电子器件领域 158
5.4.1 电子皮肤  158
5.4.2 柔性太阳能电池  160
5.4.3 柔性超级电容器  162
5.4.4 纳米发电机  164
5.4.5 柔性屏幕  166
5.5 水体净化领域 167
5.5.1 油水分离  168
5.5.2 消毒杀菌  172
5.5.3 有机染料去除  175
5.5.4 重金属离子吸附  177
5.6 健康监测领域 179
5.6.1 柔性电子可穿戴设备  179
5.6.2 可穿戴变色传感器  181
5.7 其他研究与应用 183

参考文献 186

作者简介 189

作者发表的主要论文和著作 190

仿生技术是利用自然的仿生原理与最前沿的科学技术手段，设计开发具备特殊优异性能的功能材料和智能材料，属于材料科学与技术最先进的发展方向之一。本书从自然界具有特殊优异性能的生物结构与组成出发，分析了仿生材料的设计理念、产品结构与功能/智能关系，阐明了仿生技术具体实施手段的作用机理、具体选用与过程参数对目标产品结构与功能/智能的影响规律，系统介绍了仿生技术在不同领域的应用，图文并茂。本书可供新能源材料，高分子材料，环境工程，碳素材料，纳米材料，生物质资源物理、化学和医用材料等专业学生学习，也可供从事相关行业的研究、生产和管理人员阅读参考。　

张明，女，1987年11月生，中共党员，研究生学历，东北林业大学和美国宾夕法尼亚大学联合培养博士，师从李坚院士，合作导师王成毓教授、杨澍教授、时君友教授。现就职于北华大学材料科学与工程学院，仿生材料研究室负责人，副教授。自2014年9月任教以来，先后担任本科生及研究生课程近20门，如仿生智能材料、天然功能高分子材料、生物质纳米化学、生物质纳米复合材料组装技术等。长期从事植物纤维素生物质的仿生特殊润湿性制备与水体净化机制、纤维素纳米纤丝化处理、改性与功能、智能性组装。先后主持吉林省发改委产业创新专项（2023C038-2）、吉林省自然科学基金项目（YDZJ202201ZYTS441）、吉林省优秀青年人才基金项目（20190103110JH）、吉林省教育厅科学技术研究项目（JJKH20210050KJ）、科技部国家重点实验室开放基金项目（K2019-08，KFKT202213）、国家重点实验室开放基金项目（SWZ-MS201910）、吉林市杰出青年人才基金项目（20200104083）等科研项目。在国内外权威期刊发表论文近50篇，其中，SCI收录近40篇（H因子20，二区以上近30篇，总影响因子大于200，他引总频次大于1500），出版学术著作2部；申请国家发明专利10项，美国发明专利1项。