仿生設(shè)計(jì)在智能紡織品中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

張蕊　鄭瑩瑩　董正梅　張婷　沈利銘　王建　鄒專(zhuān)勇

摘 要：為進(jìn)一步推動(dòng)仿生技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用，并拓寬仿生智能織品的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外仿生設(shè)計(jì)紡織品的研究和發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)行綜述。首先介紹了基于仿生設(shè)計(jì)的隔熱紡織品，歸納了仿動(dòng)物毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)、羽絨分支結(jié)構(gòu)以及其他生物結(jié)構(gòu)的隔熱紡織品；簡(jiǎn)要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)生色紡織品；然后分析了基于仿生設(shè)計(jì)的超疏水紡織品，總結(jié)了仿荷葉、水黽腿以及其他生物結(jié)構(gòu)的超疏水紡織品；闡述了受人體皮膚結(jié)構(gòu)啟發(fā)的智能纖維以及受自然界中不同動(dòng)植物結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生智能傳感紡織品；最后總結(jié)了仿生智能紡織品在多個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，并展望其未來(lái)發(fā)展方向，以期為仿生設(shè)計(jì)智能紡織品的廣泛應(yīng)用提供理論和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計(jì)；智能紡織品；隔熱紡織材料；超疏水紡織品；結(jié)構(gòu)生色紡織品；智能纖維

中圖分類(lèi)號(hào)：TS106 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2023）06-0226-15

自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種技術(shù)靈感和重大發(fā)明的源泉。種類(lèi)繁多的生物界經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程，使生物體具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。人類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐促進(jìn)了思維的發(fā)展，人類(lèi)的智慧不僅僅停留在生存以及認(rèn)識(shí)生物類(lèi)群上，而且還運(yùn)用人類(lèi)所特有的思維向自然學(xué)習(xí)，并設(shè)計(jì)模仿生物結(jié)構(gòu)或形態(tài)，通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)提高自身的能力［1-2］。人類(lèi)從生物體優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能中獲得啟發(fā)，通過(guò)模仿生物體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能和行為來(lái)解決當(dāng)今所面臨的技術(shù)問(wèn)題［3-4］，是人類(lèi)又一偉大的進(jìn)步。

對(duì)于紡織行業(yè)而言，通過(guò)對(duì)纖維材料進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)是獲得性能優(yōu)異紡織品的一個(gè)重要方法［5-6］。智能仿生紡織品主要是受自然界生物體結(jié)構(gòu)和性能的啟發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)的能對(duì)外部環(huán)境刺激做出反應(yīng)的紡織品，使所制備的智能紡織品獲得由這些特殊結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)異功能［7-8］。隨著智能技術(shù)和生物科學(xué)的不斷進(jìn)步，仿生技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，仿生技術(shù)在紡織業(yè)中的應(yīng)用也日漸廣泛［9-10］。

本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外基于仿生設(shè)計(jì)原理的智能紡織品進(jìn)行綜合分析，介紹基于仿生設(shè)計(jì)的隔熱紡織品，歸納仿動(dòng)物毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)、羽絨分支結(jié)構(gòu)以及其他生物結(jié)構(gòu)的隔熱紡織品；簡(jiǎn)要概述仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)生色紡織品；然后分析基于仿生設(shè)計(jì)的超疏水紡織品，總結(jié)仿荷葉、水黽腿以及其他生物結(jié)構(gòu)的超疏水紡織品；闡述受人體皮膚結(jié)構(gòu)啟發(fā)的智能纖維以及受自然界中不同動(dòng)植物結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生智能傳感紡織品；最后總結(jié)仿生智能紡織品在多個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，并展望其未來(lái)發(fā)展方向，以期為仿生設(shè)計(jì)智能紡織品的廣泛應(yīng)用提供理論和技術(shù)參考。

1 基于仿生設(shè)計(jì)的隔熱紡織品

隨著科技的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)許多動(dòng)物皮毛擁有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以具備優(yōu)異的隔熱保溫性能。通過(guò)仿生技術(shù)，研制出可比擬動(dòng)物毛發(fā)特殊結(jié)構(gòu)的隔熱保暖纖維，對(duì)開(kāi)發(fā)高性能的隔熱保溫紡織品具有重要的借鑒意義。

1.1 仿生動(dòng)物毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)的隔熱紡織品

北極熊靠著厚厚的毛皮和脂肪層來(lái)抵御寒冷，它們的毛皮看似白色，皮卻是半透明的，厚厚的毛皮也不止保溫［11］，更是能夠?qū)㈥?yáng)光的熱量傳至皮膚。其毛發(fā)結(jié)構(gòu)中空多孔，且殼層質(zhì)密，如圖1（a）所示，可以有效鎖住空氣，避免產(chǎn)生熱對(duì)流，減少熱量的流失，從而實(shí)現(xiàn)保溫的功能［12］。因此，北極熊的毛發(fā)結(jié)構(gòu)及其性能具有重要的參考價(jià)值。

許多科研人員仿北極熊毛發(fā)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)制備出了人造中空纖維。如Wang等［13］采用冷凍紡絲技術(shù)制備了一種聚酰亞胺氣凝膠纖維。通過(guò)冷凍紡絲技術(shù)獲得具有對(duì)齊孔的聚（酰胺酸（PAA））纖維，通過(guò)冷凍干燥工藝之后，PAA纖維保留了其多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)程序化熱酰亞胺化工藝后，最后將PAA纖維轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺纖維，采用這種纖維編織的紡織品具有優(yōu)異的隔熱性能。類(lèi)似地，Zhan等［14］通過(guò)溶液水熱方法制備出具有超彈性和隔熱

性能的宏觀(guān)尺度碳管氣凝膠（CTA），如圖1（b）所示。其中使用碲納米線(xiàn)（Te NWs）作為犧牲模板，所制備的CTA具有優(yōu)異的抗疲勞機(jī)械性能和極低熱導(dǎo)率的超絕熱性能，在節(jié)能建筑、能量?jī)?chǔ)存和航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域中有較大的發(fā)展前景［15］。除此之外，濕法紡絲工藝也是制備中空纖維較為常見(jiàn)的方法。Zhao等［16］采用濕法紡絲工藝制備了聚氨酯/聚偏氟乙烯仿生多孔纖維。該纖維包括定向亞纖維、納米多孔皮層和管狀孔，具有交叉尺度多孔網(wǎng)絡(luò)的層狀纖維結(jié)構(gòu)。由仿生纖維編織的紡織品與皮革的孔徑分布相似，因此具有優(yōu)良的熱絕緣性能。Wang等［17］采用濕法紡絲和聚合物溶液發(fā)泡相結(jié)合的方法制備了聚氨酯/聚丙烯腈中空泡沫纖維。制備的多孔熱塑性聚氨酯/聚丙烯腈復(fù)合纖維具有優(yōu)異的延展性，即使在壓縮或拉伸變形下，相應(yīng)的機(jī)織物仍表現(xiàn)出優(yōu)良的熱絕緣性能，為研制新型結(jié)構(gòu)功能集成纖維隔熱紡織材料鋪平了道路。

同北極熊毛發(fā)相似，企鵝羽毛也是多孔結(jié)構(gòu)，但企鵝羽毛的主軸內(nèi)部為“泡沫狀”的多孔結(jié)構(gòu)［18］，如圖2所示，其外部表面的孔徑很小，這種多孔結(jié)構(gòu)提高了其保溫隔熱的性能［19］。孫正等［20］以碳纖維為基底制備了一種基于仿生企鵝羽毛排布的防熱復(fù)合材料，具有較好的隔熱效果，能夠承受高溫、維持恒溫、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。Ye等［21］受企鵝羽毛的啟發(fā)，采用靜電紡絲方法制備了聚丙烯腈/鈦酸鋇納米顆粒冷卻材料和聚丙烯腈/炭黑納米顆粒加熱材料的仿生雙功能復(fù)合材料，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了基于可穿戴織物的個(gè)人熱管理和自驅(qū)動(dòng)人機(jī)交互功能，對(duì)人機(jī)界面系統(tǒng)、可穿戴電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。

1.2 仿生羽絨分支結(jié)構(gòu)的隔熱紡織品

為了使織物具有良好的隔熱效果，一種方法是通過(guò)中空結(jié)構(gòu)的纖維捕獲大量的空氣以增加熱阻，另一種方法是模仿羽絨的自然特性，開(kāi)發(fā)具有特殊橫截面形狀的異性纖維織物［19］。其中鵝絨和鴨絨因其特殊的分叉結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的保暖性能被廣泛研究和應(yīng)用于保暖隔熱紡織品。鵝絨結(jié)構(gòu)由一根粗主干纖維和大量細(xì)分支纖維組成［22］，如圖4（a）所示。主干纖維提供機(jī)械支撐以確保鵝絨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而分支纖維則能夠固著更多的靜態(tài)空氣，起到保暖效果。盡管羽絨具有優(yōu)異的性能，但有關(guān)人造羽毛類(lèi)纖維制備的報(bào)道不多，現(xiàn)有的人造纖維均是在纖維上骨架上生長(zhǎng)剛性無(wú)機(jī)或超分子分支來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于使用的材料剛性較高，纖維分支的長(zhǎng)度有了很大的限制。為此，Xu等［23］采用一種可規(guī)?；a(chǎn)方法制備了鵝絨狀對(duì)位芳綸纖維及其非織造材料。通過(guò)弱堿溶液（低濃度的氫氧化鈉水溶液）處理商用對(duì)位芳綸微米纖維，在化學(xué)水解和物理剪切力的共同作用下，對(duì)位芳綸纖維表面剝離生成了大量的納米纖維分支，如圖4（b）所示。鵝絨狀纖維構(gòu)成的非織造布具有典型的多尺度纖維形態(tài)、更大的比表面積和更小的孔徑，也因此具有高隔熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)為26.1 mW/（m·K））。杜邦公司采用以丙二醇為原料的聚合物和獨(dú)特的生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)出一種新型保暖纖維［24］，該纖維材料的蓬松性、手感和保暖性接近天然羽絨纖維，且可以水洗、不鉆絨，是天然羽絨理想的替代品。除了鵝絨之外，鴨絨同樣表現(xiàn)出高度有序和分層的分支結(jié)構(gòu)，隔熱性能主要?dú)w功于其納米尺度和分支結(jié)構(gòu)中的捕獲空氣。

1.3 仿生其他生物結(jié)構(gòu)的隔熱紡織品

除了上述受北極熊和企鵝毛發(fā)、鵝絨鴨絨啟發(fā)的隔熱紡織材料外，還有其他的生物結(jié)構(gòu)也可以作為制備仿生隔熱材料的參考。Wang等［25］受沙漠中撒哈拉銀蟻在極熱條件下頑強(qiáng)的生存能力的啟發(fā)，通過(guò)模仿其微米晶體棒形狀的毛發(fā)合成了獨(dú)特的六方氧化鋅微棒，并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）進(jìn)一步涂覆在聚酯織物上，可以作為堅(jiān)固的太陽(yáng)能屏蔽

材料，具有潛在的廣泛應(yīng)用。除此之外，被譽(yù)為沙漠之舟的駱駝，可以適應(yīng)惡劣的沙漠高溫環(huán)境，主要是由于駝峰的特殊結(jié)構(gòu)所致，其結(jié)構(gòu)由外表皮膚、脂肪層和汗腺組成［26］，如圖5（a）所示。當(dāng)駱駝缺水時(shí)，身體會(huì)分解駝峰中的脂肪，使其轉(zhuǎn)化為水分和能量；汗腺具有收縮和開(kāi)放調(diào)節(jié)機(jī)制，在白天的高溫環(huán)境下，最大限度減少水分通過(guò)汗腺進(jìn)行蒸發(fā)，而到了夜晚氣溫下降時(shí)，則通過(guò)熱交換的方式進(jìn)行散熱。

武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林院士團(tuán)隊(duì)［26］據(jù)此仿生設(shè)計(jì)了多層次結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)與熱管理紡織品，如圖5（b）所示，在兩層織物之間嵌入有序的熱絕緣單元，可以有效地阻擋人體皮膚的熱量散失。仿駝峰結(jié)構(gòu)的層級(jí)織物具有更強(qiáng)的隔熱能力，并能讓液體通過(guò)分布式排汗通道持續(xù)單向流動(dòng)。該織物同時(shí)顯示出低熱導(dǎo)率（0.0192 W/（m·K））、高透氣性和透濕性。同時(shí)在極端條件下（約80 ℃），模擬皮膚覆蓋的相對(duì)濕度和溫度比傳統(tǒng)的消防員制服低約20.6 ℃和約13.6%。

2 基于仿生設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)生色紡織品

色彩被運(yùn)用于紡織品的各個(gè)方面。長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)對(duì)紡織品添加天然或化學(xué)染料而實(shí)現(xiàn)著色的方法是最普遍的彩色紡織品制備技術(shù)。然而，天然和化學(xué)染料著色卻存在水資源消耗量大、對(duì)環(huán)境存在污染、顏色經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間氧化后易褪色等問(wèn)題。隨著我國(guó)對(duì)綠色紡織品和生態(tài)紡織品發(fā)展的需求越來(lái)越迫切，由此產(chǎn)生了新型環(huán)保的結(jié)構(gòu)生色技術(shù)，紡織品結(jié)構(gòu)生色技術(shù)受到了紡織行業(yè)界研究者的密切關(guān)注［27-29］。

2.1 仿生Morphotex蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)生色紡織品

紡織品結(jié)構(gòu)生色技術(shù)是一種無(wú)須用化學(xué)染料著色就能產(chǎn)生的顏色，其主要是由于物體本身結(jié)構(gòu)的存在對(duì)光產(chǎn)生了反射、衍射、干涉等物理作用產(chǎn)生的顏色［30-31］。日本帝人公司利用生活在亞馬遜河流域的閃蝴蝶翅膀產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的多層薄膜干涉原理，研發(fā)了光干涉顯色纖維Morphotex。Liu等［32］制備了仿生的類(lèi)似黑色素的聚多巴胺（PDA）納米膜涂層，為了提高色牢度和避免開(kāi)裂，采用含反應(yīng)性環(huán)氧基團(tuán)的聚（甲基丙烯酸縮水甘油酯-甲基丙烯酸聚乙二醇單甲醚酯）（P（GMA-co-PEGMA））共聚物合成黏合劑來(lái)提高PDA結(jié)構(gòu)彩色薄膜和絲綢織物之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)了紡織品著色的發(fā)展。Yang等［33］通過(guò)改變不同的聚合反應(yīng)時(shí)間在白色棉織物上制備聚多巴胺（PDA）膜，獲得結(jié)構(gòu)彩色棉織物。通過(guò)將含聚乙烯吡咯烷酮的內(nèi)酰胺基團(tuán)添加到具有鄰苯二酚基團(tuán)的PDA膜中以形成強(qiáng)氫鍵，提高了PDA裝飾的結(jié)構(gòu)彩色膜在棉織物上的色牢度，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)著色在紡織品中的實(shí)際應(yīng)用。除了通過(guò)化合物的聚合使織物生色外，熱輔助自組裝和重力沉降法也可以很好地使織物生色，如Lai等［34］采用熱輔助自組裝和重力沉降法制備了一種含氧化銅納米顆粒和銀納米顆粒的聚苯乙烯膠體光子晶體彩色薄膜，由于銅和銀材料比聚苯乙烯致密，因此金屬納米顆粒在基板底部的沉積物可以吸收散射光，從而產(chǎn)生生動(dòng)的結(jié)構(gòu)顏色，為紡織織物和仿生學(xué)的未來(lái)應(yīng)用提供了可調(diào)的結(jié)構(gòu)顏色。

除了上述兩類(lèi)生色的制備工藝之外，有一種生成結(jié)構(gòu)顏色的激光寫(xiě)入方法，無(wú)需精確復(fù)制生物結(jié)構(gòu)。Zyla等［35］提出了一種基于3D直接激光寫(xiě)入技術(shù)成功制造模仿Morphotex蝶形的層狀納米結(jié)構(gòu)的方法，使用雙光子聚合在單個(gè)光敏材料中創(chuàng)建變形圣誕樹(shù)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)橫截面幾何形狀，不需要精確復(fù)制其表面結(jié)構(gòu)，僅僅是模仿蝴蝶生物的空氣和表皮尺寸的層狀納米結(jié)構(gòu)，如圖6所示，就可以生成結(jié)構(gòu)顏色。結(jié)構(gòu)生色纖維和紡織品的最大優(yōu)點(diǎn)在于它不會(huì)像普通印染纖維和紡織品一樣出現(xiàn)褪色的現(xiàn)象，而且3D直接激光寫(xiě)入技術(shù)可以產(chǎn)生多種不同的顏色，該技術(shù)為結(jié)構(gòu)生色紡織品提供了新的思路。

2.2 仿生其他生物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)生色紡織品

孔雀羽毛和寶石甲蟲(chóng)翅膀呈現(xiàn)出各種各樣的顏色，給人一種天然的美感，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有其特殊性。據(jù)研究人員發(fā)現(xiàn)，它們內(nèi)部黑色素顆粒的周期性排列導(dǎo)致光的干涉，黑色顆粒能夠吸收散射光，從而產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)色［36］。如圖7（a）所示，在孔雀羽毛內(nèi)部，棒狀黑色素顆粒形成周期性的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，吸收散射光并產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)色［37-39］。此外，寶石甲蟲(chóng)翅膀的閃亮綠色是來(lái)自多層干涉的典型結(jié)構(gòu)色，如圖7（b）所示，大約有20層黑色素和角質(zhì)層交替堆疊，結(jié)構(gòu)色清晰可見(jiàn)，其中微結(jié)構(gòu)中的黑色素層適當(dāng)吸收散射光［40-41］。因此，聚多巴胺（PDA）作為一種黑色素模擬材料引起了人們的關(guān)注。Fang等［42］提出了一種基于高色牢度PDA結(jié)構(gòu)色納米膜的環(huán)保型紡織品染色新方法，通過(guò)多巴胺的聚合反應(yīng)在棉織物上成功制備了PDA納米膜結(jié)構(gòu)色。該研究促進(jìn)了紡織工業(yè)領(lǐng)域的清潔染色。Zhu等［43］采用硫酸銅（CuSO4）/過(guò)氧化氫（H2O2）誘導(dǎo)法在真絲織物表面構(gòu)建均勻的PDA-黑色素膜，通過(guò)控制不同上層膜的厚度，制備了黃、紅、藍(lán)、綠色四種不同結(jié)構(gòu)的彩色薄膜。其中由于PDA-黑色素聚集體納米顆粒的獨(dú)特排列和強(qiáng)烈的光吸收特性，所獲得具有結(jié)構(gòu)色的織物不依賴(lài)于角度，具有優(yōu)異的顏色可見(jiàn)性。該方法制備不需要任何染料，顏色均勻，為織物結(jié)構(gòu)色的功能性整理提供了新的思路和理論依據(jù)。

3 基于仿生設(shè)計(jì)的超疏水紡織品

超疏水紡織品因其表面防水、防污、自清潔等特性，在日常生活、醫(yī)藥衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛具有的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)自然界中的荷葉表面、蝴蝶翅膀及水鳥(niǎo)羽毛等因具備優(yōu)異的超疏水性能，可以達(dá)到自清潔功能，其核心是具有特殊“微納”的粗糙結(jié)構(gòu)，而有效利用仿生技術(shù)設(shè)計(jì)并構(gòu)建出耐久的“微納”的結(jié)構(gòu)是超疏水紡織品改性的關(guān)鍵。

3.1 仿生荷葉結(jié)構(gòu)的超疏水紡織品

早期的疏水性材料主要用于人們生活防護(hù)上，如雨鞋、雨衣、雨傘等。隨著功能性紡織品的不斷發(fā)展，疏水性材料在織物上的應(yīng)用也越來(lái)越廣。最典型的疏水表面是以荷葉為代表的自清潔功能的植物，通過(guò)對(duì)荷葉微觀(guān)結(jié)構(gòu)的分析［44］，研究者發(fā)現(xiàn)荷葉的自清潔功能不僅源于粗糙表面上微米級(jí)的乳突結(jié)構(gòu)及表面蠟晶，還因?yàn)楹扇~表面微米結(jié)構(gòu)乳突上存在著納米結(jié)構(gòu)，這種微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的多級(jí)結(jié)構(gòu)是荷葉表面具有自清潔功能的根本原因［45-46］。正是這種具有自清潔功能的納米結(jié)構(gòu)，成為科學(xué)界熱門(mén)的研究對(duì)象。

抗機(jī)械能力弱是織物超疏水性能的痛點(diǎn)，研究人員紛紛嘗試不同的材料及方法來(lái)制備機(jī)械耐久性超疏水織物，如Wang等［47］利用煙道氣廢棄物-粉煤灰制備了多功能超疏水織物，該織物具有優(yōu)異的超疏水性、自清潔性、抗機(jī)械能力、光催化性以及自熄阻燃性能，在許多領(lǐng)域中有較廣闊的發(fā)展前景。Foorginezhad等［48］采用噴霧法制備了穩(wěn)定的無(wú)氟超疏水棉，將制備的乙烯基改性的二氧化鈦水溶膠噴涂在平紋棉織物上，然后將PDMS溶液噴涂在經(jīng)改性的二氧化鈦涂布的織物上，從而制備了超疏水性海綿。該織物具有優(yōu)異的自清潔性、化學(xué)穩(wěn)定性以及耐久性，在日常生活中可以用作防水和自清潔服裝。Zhang等［49］采用一鍋浸漬法，將棉織物浸入多巴胺、硝酸銀、十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中制備了超疏水棉織物，其接觸角可達(dá)163.5°±1.5°，油水分離效率高達(dá)97%，因此該織物具有良好的機(jī)械性能、化學(xué)性能和穩(wěn)定性，可以重復(fù)用于油水分離。

實(shí)現(xiàn)織物的超疏水性能還可以對(duì)織物表面進(jìn)行改性以形成微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)，以此來(lái)提高疏水性能［50］。Cheng等［51］采用環(huán)境友好的酶蝕刻法對(duì)織物表面進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)粗糙化，然后通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積工藝用甲基三氯硅烷對(duì)其進(jìn)行改性，構(gòu)造了復(fù)合超疏水真絲織物，如圖8所示。該織物具有良好的自清潔性能和機(jī)械耐久性，且對(duì)織物的光澤、色澤、柔軟性等性能影響較小。He等［52］提出了一種通過(guò)原位氟化誘導(dǎo)的徑向聚合在商業(yè)聚酯織物上的新型表面設(shè)計(jì)策略。通過(guò)與甲基丙烯酸三氟乙酯和二乙烯基苯的徑向引發(fā)接枝共聚，將具有雙鍵的超支化納米二氧化硅共價(jià)接枝到表面，所獲得的超疏水織物顯示出優(yōu)異的耐久性和憎水性。此外，聚倍半硅氧烷超疏水整理也是一種微結(jié)構(gòu)疏水方案，POSS是一種新型的有機(jī)和無(wú)機(jī)結(jié)合的雜化材料，是具有三維結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅烷化合物，它特殊的納米結(jié)構(gòu)、納米尺寸效應(yīng)、交聯(lián)效應(yīng)及對(duì)聚合物的有效改性，吸引著人們極大關(guān)注。因此Hou等［53］采用光誘導(dǎo)巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)方法，利用巰基硅烷對(duì)纖維進(jìn)行表面改性，再與甲基丙烯酰-七異丁基半硅氧烷（MAPOSS）進(jìn)行點(diǎn)擊偶聯(lián)，增加了織物的表面粗糙度，降低了織物的表面能，成功制備了基于多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）的超疏水織物，如圖9所示。該織物具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐紫外線(xiàn)、耐高溫、耐超聲波洗滌以及耐機(jī)械磨損性能。

3.2 仿生水黽腿結(jié)構(gòu)的超疏水紡織品

在自然界中，除了眾所周知的仿荷葉結(jié)構(gòu)所制備的超疏水紡織品外，還一些具有層次結(jié)構(gòu)和粗糙度的動(dòng)物表面可以產(chǎn)生顯著的超疏水性。如水黽具有在水面上站立行走而不被浸濕的能力。Gao等［54］表明，水黽腿部由大量細(xì)微納米凹槽的定向微小毛發(fā)覆蓋，并覆蓋有角質(zhì)層蠟，如圖10所示，使腿部表面防水，并使它們能夠在水面上快速站立和行走。因此，啟發(fā)于水黽腿纖維結(jié)構(gòu)，在

織物表面上形成納米分層結(jié)構(gòu)也可以提供超疏水能力，如Gao等［55］提出了微米和納米級(jí)分層二氧化硅顆粒涂覆在織物上以實(shí)現(xiàn)超疏水仿生表面結(jié)構(gòu)。采用溶膠-凝膠法獲得各種尺寸的溶膠顆粒，通過(guò)低溫兩步涂布工藝對(duì)織物進(jìn)行涂布，由于考慮到含氟化合物基團(tuán)對(duì)環(huán)境和健康存在潛在危害，選擇長(zhǎng)鏈烷基硅烷作為低表面能劑，對(duì)粗糙處理后的織物表面進(jìn)行改性，所得的織物具有優(yōu)異的疏水性。

3.3 仿生其他生物結(jié)構(gòu)的超疏水紡織品

科學(xué)家通過(guò)研究壁虎腳、蚊子腿以及蛾翅膀等其他生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指出其表面結(jié)構(gòu)是由微米/納米級(jí)雙重結(jié)構(gòu)組成，這種微米/納米級(jí)雙重結(jié)構(gòu)正是其超疏水性的原因。因此，研究人員們通過(guò)采用各種方法在織物表面形成微米/納米級(jí)雙重結(jié)構(gòu)從而使其具有超疏水性能。如Pan等［56］采用原位生長(zhǎng)和浸涂法，在棉織物上制備了一種耐久、穩(wěn)定的聚二甲基硅氧烷（PDMS）-硬脂酸銅（CuSA2）超疏水涂層，從而制備了耐久性超疏水織物。制備過(guò)程無(wú)復(fù)雜工序，所用原料較為廉價(jià)。該織物顯示出良好的超疏水性能，其接觸角為158°，同時(shí)具有良好的機(jī)械耐久性。此外，Yan等［57］受黑色素和海洋貽貝的啟發(fā)，通過(guò)快速氧化聚合將多巴胺在短時(shí)間內(nèi)涂覆在真絲織物上，并通過(guò)聚多巴胺二級(jí)反應(yīng)平臺(tái)將Fe2+接枝到織物表面，制備了具有超疏水性，阻燃性和抗紫外性的真絲織物。

4 基于仿生設(shè)計(jì)的智能傳感紡織品

隨著仿生設(shè)計(jì)和智能傳感紡織材料的結(jié)合，智能紡織傳感器在防護(hù)、體育、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?8］，為此成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。Zhu等［59］制備了一種多孔結(jié)構(gòu)的碳納米管/炭黑-聚氨酯涂層的織物和導(dǎo)電尼龍纖維叉指電極圖案化的織物組裝而成的壓力傳感器，該傳感器具有高靈敏度、短響應(yīng)時(shí)間和寬感測(cè)范圍，可以與人體表面穩(wěn)定貼合，以實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。

4.1 受人體皮膚結(jié)構(gòu)啟發(fā)的智能纖維

皮膚是人體最大的器官，它可以通過(guò)不同的皮下組織，根據(jù)外界產(chǎn)生的信息直接與外界相互作用，從而通過(guò)神經(jīng)中樞完成對(duì)不同信息的感覺(jué)過(guò)程。受此啟發(fā)，Zhang等［60］利用天然纖維素的自組裝方法形成多孔超分子纖維網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種新型的具有皮膚特性的纖維素仿生水凝膠（CBH），該水凝膠顯示出優(yōu)良的特性，如高拉伸性和強(qiáng)度、低模量、優(yōu)異的彈性以及良好的生物相容性，可作為靈敏可靠的應(yīng)變傳感器用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。此外，在水性環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的信號(hào)輸出。Wang等［61］報(bào)道了一種基于自組裝策略的新型離子誘導(dǎo)技術(shù)，通過(guò)濕法紡絲法在凝固浴中形成具有仿生絨毛狀表面的纖維，然后加入羥基脲進(jìn)行特殊的銀鏡反應(yīng)，得到Ag/AgCl/PEDOT：PSS復(fù)合纖維具有穩(wěn)定的三層核殼結(jié)構(gòu)，如圖11所示。仿生Ag/AgCl/PEDOT：PSS復(fù)合纖維具有雙向響應(yīng)性和增強(qiáng)的靈敏度，并對(duì)反復(fù)的外部應(yīng)力表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，利用其組裝的壓力傳感器，可以用于小應(yīng)力的監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人、醫(yī)學(xué)假肢等方面。

Ghosh等［62］使用大面積且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的魚(yú)膠納米纖維（GNF）制備了生物電子皮膚， 可以監(jiān)測(cè)從低頻細(xì)微壓力（例如手腕脈搏）到高頻劇烈的人體運(yùn)動(dòng)，在自主表皮電子設(shè)備、可植入醫(yī)療設(shè)備、外科手術(shù)、電子保健監(jiān)測(cè)、體外和體內(nèi)診斷中具有潛在的廣泛應(yīng)用。此外，利用互鎖結(jié)構(gòu)也是提高傳感器靈敏度的方案，Ha等［63］制備了具有梯度剛度的分級(jí)納米孔和互鎖微脊結(jié)構(gòu)聚合物（P（VDF-TrFE）），組裝成無(wú)間隔層、超薄、高靈敏度以及耐磨的摩擦電傳感器（TES），如圖12所示，該傳感器可用于發(fā)電和監(jiān)測(cè)人體生命體征、實(shí)時(shí)身體運(yùn)動(dòng)以及語(yǔ)音識(shí)別，可在惡劣環(huán)境中正常使用，這有助于其在可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、自我診斷系統(tǒng)、生物識(shí)別安全系統(tǒng)、假肢、康復(fù)設(shè)備和機(jī)器人中的廣泛應(yīng)用。

4.2 仿生其他生物結(jié)構(gòu)的智能纖維

一些智能織物上的敏感單元不是天然和固有的，大多通過(guò)某些物質(zhì)的相互反應(yīng)或氧化還原形成的［64］，如何通過(guò)簡(jiǎn)便快捷的制備方案構(gòu)建智能纖維的敏感單元仍是個(gè)挑戰(zhàn)。揚(yáng)州大學(xué)高強(qiáng)副教授研究組［65］模仿蜘蛛絨毛開(kāi)發(fā)了一種離子誘導(dǎo)的自組裝方法，在聚（3，4-乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）纖維連續(xù)大規(guī)模制備的同時(shí)構(gòu)筑具有均勻陣列結(jié)構(gòu)的纖維表面，成功獲得具有絨毛狀表面的導(dǎo)電PEDOT：PSS-Cu2+纖維，如圖13所示。該方法不需要后處理或苛刻的反應(yīng)條件，基于傳統(tǒng)的濕法紡絲過(guò)程，在水-乙醇的凝固浴體系中引入Cu2+，PEDOT：PSS纖維表面即可自發(fā)形成絨毛狀的微結(jié)構(gòu)。使其具有良好的壓力靈敏度、超低的檢測(cè)限和快速的響應(yīng)時(shí)間，為制備可穿戴電子產(chǎn)品仿生纖維提供了新機(jī)會(huì)。

Niu等［66］受蒼耳子“枝-籽-刺”三維層次結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用三步低溫水熱法制備了P（VDF-TrFE）纖維-TiO2柱-TiO2刺結(jié)構(gòu)（FPTS），用于構(gòu)建仿生電子皮膚，如圖14所示。FPTS電子皮膚具有高靈敏度、寬壓力傳感范圍、超快響應(yīng)/弛豫時(shí)間、高壓力分辨率和出色的長(zhǎng)期耐用性，為柔性電子和智能感知領(lǐng)域帶來(lái)新的啟示。Luo等［67］報(bào)道了一種將羅紋織物和玫瑰花瓣巧妙結(jié)合采用自封裝方法制備了三明治結(jié)構(gòu)的柔性觸覺(jué)傳感器，該傳感器具有高靈敏度（<1 kPa-1，0.145 kPa-1）、寬檢測(cè)范圍（0～80 kPa）、快速響應(yīng)恢復(fù)（13.4 ms）和良好的穩(wěn)定性（超過(guò)7000次循環(huán)），是人體物理康復(fù)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人機(jī)交互等應(yīng)用的理想選擇。

在生態(tài)系統(tǒng)中，魚(yú)鱗和穿山甲鱗片都有較強(qiáng)的防護(hù)作用，其表面具有一定的曲率變化，雖不光滑，但它們是典型的雙向等強(qiáng)度的板殼結(jié)構(gòu)，較堅(jiān)固耐磨。Niu等［68］受生物體重疊結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用工業(yè)化全成型編織技術(shù)制作出仿生鱗片針織織物，如圖15所示，該織物具有柔性的運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)和剛性的表面保護(hù)功能，滿(mǎn)足了防護(hù)性和柔韌性的矛盾需求，為多功能可穿戴設(shè)備在能量采集、自供電傳感和人體健康保護(hù)等領(lǐng)域提供一個(gè)很有前景的研究方向。

5 結(jié) 論

從自然界生物體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)中得到啟發(fā)，利用仿生方法，設(shè)計(jì)并制備出各種功能的紡織品已經(jīng)成為智能紡織品設(shè)計(jì)中的重要組成部分。目前仿生智能紡織品的應(yīng)用不僅僅是滿(mǎn)足人們對(duì)服裝的基本需求，同時(shí)也要滿(mǎn)足服裝的多功能需求。本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)仿生設(shè)計(jì)在智能紡織品中的研究進(jìn)行回顧分析，從自然界生物體結(jié)構(gòu)入手，介紹了基于仿生設(shè)計(jì)的隔熱紡織品，歸納了仿動(dòng)物毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)、羽絨分支結(jié)構(gòu)以及其他生物結(jié)構(gòu)的隔熱紡織品；簡(jiǎn)要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)生色紡織品；然后分析了基于仿生設(shè)計(jì)的超疏水紡織品，總結(jié)了仿荷葉、水黽腿以及其他生物結(jié)構(gòu)的超疏水紡織品；闡述了受人體皮膚結(jié)構(gòu)啟發(fā)的智能纖維以及受自然界中不同動(dòng)植物結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生智能傳感紡織品。利用仿生設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的紡織品正向智能化方向發(fā)展，并將在人們的日常生活和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮出更大的作用。

通過(guò)總結(jié)和分析，未來(lái)相關(guān)研究發(fā)展方向可從以下3個(gè)方面展開(kāi)：a）構(gòu)造多功能仿生智能紡織品，目前仿生智能紡織品的功能性較為單一，若將仿生設(shè)計(jì)的保暖、超疏水、結(jié)構(gòu)生色、智能傳感等功能性紡織品有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使紡織品同時(shí)具有多種功能，以滿(mǎn)足人們多方面的應(yīng)用需求；b）隨著仿生智能紡織品的發(fā)展，不應(yīng)局限于單一的紡織行業(yè)，可以將紡織、計(jì)算機(jī)、物理、化學(xué)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)融于一體，以實(shí)現(xiàn)更多的可能，進(jìn)一步向醫(yī)療、建筑、航天、軍事等領(lǐng)域多方面發(fā)展；c）雖然目前關(guān)于仿生智能紡織品的研究較多，但很少實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，未來(lái)研究方向還需高效便捷的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)方案，制備性能穩(wěn)定的多功能仿生智能紡織品，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。

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Application andresearch progress of bionic design in smart textiles

ZHANG Rui1， ZHENG Yingying1， DONG Zhengmei1， ZHANG Ting2， SHEN Liming2， WANG Jian1，3， ZOU Zhuanyong1

Abstract： The textile industry in China， where both the economy and technology are rising quickly， has a new market thanks to bionic technology. The fusion of fabric and bionic technology to create electronic fabrics with various functions， such as thermal insulation， structural color generation， and superhydrophobicity， is anticipated to play a significant role in the fields of health detection， intelligent medical care， motion monitoring， and human-computer interaction in a variety of smart wearable devices.

Bionic design of fiber materials is a key strategy for the textile industry to produce textiles with superior qualities.To acquire the excellent functions brought about by these unique structures for the prepared smart textiles， smart bionic textiles are primarily designed to respond to external environmental stimuli inspired by the structure and characteristics of live organisms in nature. Bionic technology has advanced significantly as a result of the ongoing advancements in intelligent technology and biological science， and it is increasingly being used in the textile sector.

The most typical representatives of insulation textiles based on bionic design are polar bears and penguins， whose internal structure is showing a hollow porous structure， and this porous structure enhances their thermal insulation performance. The hollow structure of fibers traps a large amount of air to increase thermal resistance or mimics the internal structure of polar bear hair or penguin feathers to develop heterogeneous fiber fabrics with special cross-sectional shapes. Next there are down of animals such as geese and ducks， whose internal structure shows a branching structure and whose thermal insulation properties are mainly attributed to their nano-scale and the trapped air in the branching structure. An environmentally friendly structured color-generating technology has been developed as a result of China's pressing need for the development of green textiles and eco-textiles. The idea that the shimmering butterfly's wings in the Amazon River Basin produce structural color has a significant impact on how color is generated.

The most typical superhydrophobic textile based on bionic design is a plant with self-cleaning function， which is represented by lotus leaf and water strider leg. There is a nanostructure on the micron structure mastoid on the surface of lotus leaf. This combination of micron structure and nanostructure is the fundamental reason for the self-cleaning function on the surface of lotus leaf. A number of researchers have produced excellent superhydrophobic fabrics mimicking the structure of lotus leaves and water strider legs. The fibers， fabrics， and textile sensors created through the fusion of bionic design and smart sensing textile materials， inspired by the structure of living organisms like spider hair， pale ears， and human skin， have great potential for advancement in the fields of protection， sports， medicine， and military.

The use of bionic techniques to create textiles with a variety of purposes has grown to be a crucial component of smart textile design. These techniques are inspired by the shapes and structures of living organisms found in nature. The use of bionic smart textiles is currently expanding into the medical， aeronautical， and military industries in addition to serving people's clothing requirements. The structure and application areas of multifunctional bionic smart textiles need to be further explored， notwithstanding the impressive achievements that have been obtained by smart textiles createdby using bionic technology.

Keywords： bionic design; smart textiles; textile insulating material; superhydrophobic textiles; structural color textiles; smart fibre

收稿日期：20230223 網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230607

基金項(xiàng)目：紹興文理學(xué)院研究生校級(jí)科研項(xiàng)目（Y20220706）

作者簡(jiǎn)介：張蕊（2000—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事纖維基傳感器件方面的研究。

通信作者：王建，E-mail： jwang@usx.edu.cn