仿生設計在智能紡織品中的應用與研究進展

張蕊　鄭瑩瑩　董正梅　張婷　沈利銘　王建　鄒專勇

摘 要：為進一步推動仿生技術在紡織領域的應用，并拓寬仿生智能織品的應用領域，對近幾年國內外仿生設計紡織品的研究和發(fā)展現狀及應用進行綜述。首先介紹了基于仿生設計的隔熱紡織品，歸納了仿動物毛發(fā)中空結構、羽絨分支結構以及其他生物結構的隔熱紡織品；簡要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物結構的結構生色紡織品；然后分析了基于仿生設計的超疏水紡織品，總結了仿荷葉、水黽腿以及其他生物結構的超疏水紡織品；闡述了受人體皮膚結構啟發(fā)的智能纖維以及受自然界中不同動植物結構啟發(fā)的仿生智能傳感紡織品；最后總結了仿生智能紡織品在多個領域的潛在應用，并展望其未來發(fā)展方向，以期為仿生設計智能紡織品的廣泛應用提供理論和技術參考。

關鍵詞：仿生設計；智能紡織品；隔熱紡織材料；超疏水紡織品；結構生色紡織品；智能纖維

中圖分類號：TS106 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2023）06-0226-15

自古以來，自然界就是人類各種技術靈感和重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物界經過億萬年的進化過程，使生物體具有優(yōu)異的結構功能來適應環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。人類長時間的生產實踐促進了思維的發(fā)展，人類的智慧不僅僅停留在生存以及認識生物類群上，而且還運用人類所特有的思維向自然學習，并設計模仿生物結構或形態(tài)，通過創(chuàng)造性的勞動提高自身的能力［1-2］。人類從生物體優(yōu)異的結構功能中獲得啟發(fā)，通過模仿生物體的結構、形態(tài)、功能和行為來解決當今所面臨的技術問題［3-4］，是人類又一偉大的進步。

對于紡織行業(yè)而言，通過對纖維材料進行仿生設計是獲得性能優(yōu)異紡織品的一個重要方法［5-6］。智能仿生紡織品主要是受自然界生物體結構和性能的啟發(fā)來設計的能對外部環(huán)境刺激做出反應的紡織品，使所制備的智能紡織品獲得由這些特殊結構帶來的優(yōu)異功能［7-8］。隨著智能技術和生物科學的不斷進步，仿生技術已經有了很大的發(fā)展，仿生技術在紡織業(yè)中的應用也日漸廣泛［9-10］。

本文對近年來國內外基于仿生設計原理的智能紡織品進行綜合分析，介紹基于仿生設計的隔熱紡織品，歸納仿動物毛發(fā)中空結構、羽絨分支結構以及其他生物結構的隔熱紡織品；簡要概述仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物結構的結構生色紡織品；然后分析基于仿生設計的超疏水紡織品，總結仿荷葉、水黽腿以及其他生物結構的超疏水紡織品；闡述受人體皮膚結構啟發(fā)的智能纖維以及受自然界中不同動植物結構啟發(fā)的仿生智能傳感紡織品；最后總結仿生智能紡織品在多個領域的潛在應用，并展望其未來發(fā)展方向，以期為仿生設計智能紡織品的廣泛應用提供理論和技術參考。

1 基于仿生設計的隔熱紡織品

隨著科技的進步，人們發(fā)現許多動物皮毛擁有特殊的內部結構，以具備優(yōu)異的隔熱保溫性能。通過仿生技術，研制出可比擬動物毛發(fā)特殊結構的隔熱保暖纖維，對開發(fā)高性能的隔熱保溫紡織品具有重要的借鑒意義。

1.1 仿生動物毛發(fā)中空結構的隔熱紡織品

北極熊靠著厚厚的毛皮和脂肪層來抵御寒冷，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］，更是能夠將陽光的熱量傳至皮膚。其毛發(fā)結構中空多孔，且殼層質密，如圖1（a）所示，可以有效鎖住空氣，避免產生熱對流，減少熱量的流失，從而實現保溫的功能［12］。因此，北極熊的毛發(fā)結構及其性能具有重要的參考價值。

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

性能的宏觀尺度碳管氣凝膠（CTA），如圖1（b）所示。其中使用碲納米線（Te NWs）作為犧牲模板，所制備的CTA具有優(yōu)異的抗疲勞機械性能和極低熱導率的超絕熱性能，在節(jié)能建筑、能量儲存和航空航天等應用領域中有較大的發(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絡的層狀纖維結構。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，相應的機織物仍表現出優(yōu)良的熱絕緣性能，為研制新型結構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構，但企鵝羽毛的主軸內部為“泡沫狀”的多孔結構［18］，如圖2所示，其外部表面的孔徑很小，這種多孔結構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合材料，具有較好的隔熱效果，能夠承受高溫、維持恒溫、質量輕、強度高等優(yōu)點。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合材料，如圖3所示，實現了基于可穿戴織物的個人熱管理和自驅動人機交互功能，對人機界面系統、可穿戴電子設備、生物醫(yī)學、柔性機器人等領域產生了重大而深遠的影響。

1.2 仿生羽絨分支結構的隔熱紡織品

為了使織物具有良好的隔熱效果，一種方法是通過中空結構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構和優(yōu)越的保暖性能被廣泛研究和應用于保暖隔熱紡織品。鵝絨結構由一根粗主干纖維和大量細分支纖維組成［22］，如圖4（a）所示。主干纖維提供機械支撐以確保鵝絨的結構穩(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，但有關人造羽毛類纖維制備的報道不多，現有的人造纖維均是在纖維上骨架上生長剛性無機或超分子分支來實現的。由于使用的材料剛性較高，纖維分支的長度有了很大的限制。為此，Xu等［23］采用一種可規(guī)模化生產方法制備了鵝絨狀對位芳綸纖維及其非織造材料。通過弱堿溶液（低濃度的氫氧化鈉水溶液）處理商用對位芳綸微米纖維，在化學水解和物理剪切力的共同作用下，對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（導熱系數為26.1 mW/（m·K））。杜邦公司采用以丙二醇為原料的聚合物和獨特的生產工藝開發(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，鴨絨同樣表現出高度有序和分層的分支結構，隔熱性能主要歸功于其納米尺度和分支結構中的捕獲空氣。

1.3 仿生其他生物結構的隔熱紡織品

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，還有其他的生物結構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的生存能力的啟發(fā)，通過模仿其微米晶體棒形狀的毛發(fā)合成了獨特的六方氧化鋅微棒，并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）進一步涂覆在聚酯織物上，可以作為堅固的太陽能屏蔽

材料，具有潛在的廣泛應用。除此之外，被譽為沙漠之舟的駱駝，可以適應惡劣的沙漠高溫環(huán)境，主要是由于駝峰的特殊結構所致，其結構由外表皮膚、脂肪層和汗腺組成［26］，如圖5（a）所示。當駱駝缺水時，身體會分解駝峰中的脂肪，使其轉化為水分和能量；汗腺具有收縮和開放調節(jié)機制，在白天的高溫環(huán)境下，最大限度減少水分通過汗腺進行蒸發(fā)，而到了夜晚氣溫下降時，則通過熱交換的方式進行散熱。

武漢紡織大學徐衛(wèi)林院士團隊［26］據此仿生設計了多層次結構的熱防護與熱管理紡織品，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。仿駝峰結構的層級織物具有更強的隔熱能力，并能讓液體通過分布式排汗通道持續(xù)單向流動。該織物同時顯示出低熱導率（0.0192 W/（m·K））、高透氣性和透濕性。同時在極端條件下（約80 ℃），模擬皮膚覆蓋的相對濕度和溫度比傳統的消防員制服低約20.6 ℃和約13.6%。

2 基于仿生設計的結構生色紡織品

色彩被運用于紡織品的各個方面。長期以來，通過對紡織品添加天然或化學染料而實現著色的方法是最普遍的彩色紡織品制備技術。然而，天然和化學染料著色卻存在水資源消耗量大、對環(huán)境存在污染、顏色經長時間氧化后易褪色等問題。隨著我國對綠色紡織品和生態(tài)紡織品發(fā)展的需求越來越迫切，由此產生了新型環(huán)保的結構生色技術，紡織品結構生色技術受到了紡織行業(yè)界研究者的密切關注［27-29］。

2.1 仿生Morphotex蝴蝶翅膀的結構生色紡織品

紡織品結構生色技術是一種無須用化學染料著色就能產生的顏色，其主要是由于物體本身結構的存在對光產生了反射、衍射、干涉等物理作用產生的顏色［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生結構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裂，采用含反應性環(huán)氧基團的聚（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提高PDA結構彩色薄膜和絲綢織物之間的界面結合強度，促進了紡織品著色的發(fā)展。Yang等［33］通過改變不同的聚合反應時間在白色棉織物上制備聚多巴胺（PDA）膜，獲得結構彩色棉織物。通過將含聚乙烯吡咯烷酮的內酰胺基團添加到具有鄰苯二酚基團的PDA膜中以形成強氫鍵，提高了PDA裝飾的結構彩色膜在棉織物上的色牢度，促進了結構著色在紡織品中的實際應用。除了通過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，從而產生生動的結構顏色，為紡織織物和仿生學的未來應用提供了可調的結構顏色。

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

2.2 仿生其他生物結構的結構生色紡織品

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

3 基于仿生設計的超疏水紡織品

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、工農業(yè)生產、能量轉換和環(huán)境保護等各個領域有廣泛具有的應用。研究發(fā)現自然界中的荷葉表面、蝴蝶翅膀及水鳥羽毛等因具備優(yōu)異的超疏水性能，可以達到自清潔功能，其核心是具有特殊“微納”的粗糙結構，而有效利用仿生技術設計并構建出耐久的“微納”的結構是超疏水紡織品改性的關鍵。

3.1 仿生荷葉結構的超疏水紡織品

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用也越來越廣。最典型的疏水表面是以荷葉為代表的自清潔功能的植物，通過對荷葉微觀結構的分析［44］，研究者發(fā)現荷葉的自清潔功能不僅源于粗糙表面上微米級的乳突結構及表面蠟晶，還因為荷葉表面微米結構乳突上存在著納米結構，這種微米結構和納米結構相結合的多級結構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構，成為科學界熱門的研究對象。

抗機械能力弱是織物超疏水性能的痛點，研究人員紛紛嘗試不同的材料及方法來制備機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、抗機械能力、光催化性以及自熄阻燃性能，在許多領域中有較廣闊的發(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163.5°±1.5°，油水分離效率高達97%，因此該織物具有良好的機械性能、化學性能和穩(wěn)定性，可以重復用于油水分離。

實現織物的超疏水性能還可以對織物表面進行改性以形成微納米多級結構，以此來提高疏水性能［50］。Cheng等［51］采用環(huán)境友好的酶蝕刻法對織物表面進行微納結構粗糙化，然后通過熱化學氣相沉積工藝用甲基三氯硅烷對其進行改性，構造了復合超疏水真絲織物，如圖8所示。該織物具有良好的自清潔性能和機械耐久性，且對織物的光澤、色澤、柔軟性等性能影響較小。He等［52］提出了一種通過原位氟化誘導的徑向聚合在商業(yè)聚酯織物上的新型表面設計策略。通過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構疏水方案，POSS是一種新型的有機和無機結合的雜化材料，是具有三維結構的有機硅烷化合物，它特殊的納米結構、納米尺寸效應、交聯效應及對聚合物的有效改性，吸引著人們極大關注。因此Hou等［53］采用光誘導巰基-烯點擊化學方法，利用巰基硅烷對纖維進行表面改性，再與甲基丙烯酰-七異丁基半硅氧烷（MAPOSS）進行點擊偶聯，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、耐高溫、耐超聲波洗滌以及耐機械磨損性能。

3.2 仿生水黽腿結構的超疏水紡織品

在自然界中，除了眾所周知的仿荷葉結構所制備的超疏水紡織品外，還一些具有層次結構和粗糙度的動物表面可以產生顯著的超疏水性。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，水黽腿部由大量細微納米凹槽的定向微小毛發(fā)覆蓋，并覆蓋有角質層蠟，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)于水黽腿纖維結構，在

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

3.3 仿生其他生物結構的超疏水紡織品

科學家通過研究壁虎腳、蚊子腿以及蛾翅膀等其他生物的內部結構，指出其表面結構是由微米/納米級雙重結構組成，這種微米/納米級雙重結構正是其超疏水性的原因。因此，研究人員們通過采用各種方法在織物表面形成微米/納米級雙重結構從而使其具有超疏水性能。如Pan等［56］采用原位生長和浸涂法，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。制備過程無復雜工序，所用原料較為廉價。該織物顯示出良好的超疏水性能，其接觸角為158°，同時具有良好的機械耐久性。此外，Yan等［57］受黑色素和海洋貽貝的啟發(fā)，通過快速氧化聚合將多巴胺在短時間內涂覆在真絲織物上，并通過聚多巴胺二級反應平臺將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 基于仿生設計的智能傳感紡織品

隨著仿生設計和智能傳感紡織材料的結合，智能紡織傳感器在防護、體育、醫(yī)療、軍事等領域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?8］，為此成為研究者關注的焦點。Zhu等［59］制備了一種多孔結構的碳納米管/炭黑-聚氨酯涂層的織物和導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、短響應時間和寬感測范圍，可以與人體表面穩(wěn)定貼合，以實現生理信號監(jiān)測。

4.1 受人體皮膚結構啟發(fā)的智能纖維

皮膚是人體最大的器官，它可以通過不同的皮下組織，根據外界產生的信息直接與外界相互作用，從而通過神經中樞完成對不同信息的感覺過程。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絡，設計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變傳感器用于人體運動監(jiān)測。此外，在水性環(huán)境中實現了穩(wěn)定的信號輸出。Wang等［61］報道了一種基于自組裝策略的新型離子誘導技術，通過濕法紡絲法在凝固浴中形成具有仿生絨毛狀表面的纖維，然后加入羥基脲進行特殊的銀鏡反應，得到Ag/AgCl/PEDOT：PSS復合纖維具有穩(wěn)定的三層核殼結構，如圖11所示。仿生Ag/AgCl/PEDOT：PSS復合纖維具有雙向響應性和增強的靈敏度，并對反復的外部應力表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性，利用其組裝的壓力傳感器，可以用于小應力的監(jiān)測、柔性機器人、醫(yī)學假肢等方面。

Ghosh等［62］使用大面積且結構穩(wěn)定的魚膠納米纖維（GNF）制備了生物電子皮膚， 可以監(jiān)測從低頻細微壓力（例如手腕脈搏）到高頻劇烈的人體運動，在自主表皮電子設備、可植入醫(yī)療設備、外科手術、電子保健監(jiān)測、體外和體內診斷中具有潛在的廣泛應用。此外，利用互鎖結構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納米孔和互鎖微脊結構聚合物（P（VDF-TrFE）），組裝成無間隔層、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)測人體生命體征、實時身體運動以及語音識別，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)測設備、自我診斷系統、生物識別安全系統、假肢、康復設備和機器人中的廣泛應用。

4.2 仿生其他生物結構的智能纖維

一些智能織物上的敏感單元不是天然和固有的，大多通過某些物質的相互反應或氧化還原形成的［64］，如何通過簡便快捷的制備方案構建智能纖維的敏感單元仍是個挑戰(zhàn)。揚州大學高強副教授研究組［65］模仿蜘蛛絨毛開發(fā)了一種離子誘導的自組裝方法，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)模制備的同時構筑具有均勻陣列結構的纖維表面，成功獲得具有絨毛狀表面的導電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條件，基于傳統的濕法紡絲過程，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)形成絨毛狀的微結構。使其具有良好的壓力靈敏度、超低的檢測限和快速的響應時間，為制備可穿戴電子產品仿生纖維提供了新機會。

Niu等［66］受蒼耳子“枝-籽-刺”三維層次結構的啟發(fā)，采用三步低溫水熱法制備了P（VDF-TrFE）纖維-TiO2柱-TiO2刺結構（FPTS），用于構建仿生電子皮膚，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/弛豫時間、高壓力分辨率和出色的長期耐用性，為柔性電子和智能感知領域帶來新的啟示。Luo等［67］報道了一種將羅紋織物和玫瑰花瓣巧妙結合采用自封裝方法制備了三明治結構的柔性觸覺傳感器，該傳感器具有高靈敏度（<1 kPa-1，0.145 kPa-1）、寬檢測范圍（0～80 kPa）、快速響應恢復（13.4 ms）和良好的穩(wěn)定性（超過7000次循環(huán)），是人體物理康復、運動檢測、人機交互等應用的理想選擇。

在生態(tài)系統中，魚鱗和穿山甲鱗片都有較強的防護作用，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度的板殼結構，較堅固耐磨。Niu等［68］受生物體重疊結構的啟發(fā)，采用工業(yè)化全成型編織技術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動的監(jiān)測和剛性的表面保護功能，滿足了防護性和柔韌性的矛盾需求，為多功能可穿戴設備在能量采集、自供電傳感和人體健康保護等領域提供一個很有前景的研究方向。

5 結 論

從自然界生物體的形態(tài)和結構中得到啟發(fā)，利用仿生方法，設計并制備出各種功能的紡織品已經成為智能紡織品設計中的重要組成部分。目前仿生智能紡織品的應用不僅僅是滿足人們對服裝的基本需求，同時也要滿足服裝的多功能需求。本文通過對近年來仿生設計在智能紡織品中的研究進行回顧分析，從自然界生物體結構入手，介紹了基于仿生設計的隔熱紡織品，歸納了仿動物毛發(fā)中空結構、羽絨分支結構以及其他生物結構的隔熱紡織品；簡要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物結構的結構生色紡織品；然后分析了基于仿生設計的超疏水紡織品，總結了仿荷葉、水黽腿以及其他生物結構的超疏水紡織品；闡述了受人體皮膚結構啟發(fā)的智能纖維以及受自然界中不同動植物結構啟發(fā)的仿生智能傳感紡織品。利用仿生設計開發(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發(fā)展中發(fā)揮出更大的作用。

通過總結和分析，未來相關研究發(fā)展方向可從以下3個方面展開：a）構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，若將仿生設計的保暖、超疏水、結構生色、智能傳感等功能性紡織品有機結合起來，使紡織品同時具有多種功能，以滿足人們多方面的應用需求；b）隨著仿生智能紡織品的發(fā)展，不應局限于單一的紡織行業(yè)，可以將紡織、計算機、物理、化學等專業(yè)技術融于一體，以實現更多的可能，進一步向醫(yī)療、建筑、航天、軍事等領域多方面發(fā)展；c）雖然目前關于仿生智能紡織品的研究較多，但很少實現大規(guī)模產業(yè)化，未來研究方向還需高效便捷的產業(yè)化開發(fā)方案，制備性能穩(wěn)定的多功能仿生智能紡織品，以實現工業(yè)化和產業(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 網絡出版日期：20230607

基金項目：紹興文理學院研究生校級科研項目（Y20220706）

作者簡介：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