名師講科技前沿系列--圖解仿生技術

仿生學是通過研究自然界生物的結構、性狀、行為及對環境的響應機制，繼而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學，是連接生物與技術的橋梁。仿生技術是結合前沿科學方法與技術手段，為實現產品結構、功能及智能仿生而衍生的先進技術，屬于材料科學最先進的發展方向之一。
承蒙國家自然科學基金面上項目（31770605、32171693）、吉林省自然科學基金（YDZJ202201ZYTS441）、吉林省發改委產業創新專項資金項目（2023C038-2）、吉林省優秀青年項目（20190103110JH）、科技部國家重點實驗室開放基金（K2019-08，KFKT202213）、教育部重點實驗室開放基金（SWZ-MS201910）、吉林省教育廳科學技術研究項目（JJKH20210050KJ）、吉林市杰出青年項目（20200104083）的資助，本課題組堅持了十年的預研和立項研究工作，以仿生技術為核心手段，做了大量關于仿生智能材料的開發嘗試。堅持學科交叉融合的科學理念，并結合未來的生產技術與工業應用需求，編寫了《圖解仿生技術》一書。其主要特點如下：
（1）聚焦不同材料的仿生智能化制備技術
詳細介紹了自組裝技術、噴/滴涂技術、溶膠-凝膠技術、化學沉積技術、水熱合成技術、溶劑熱合成技術、真空-高壓浸漬技術、磁控濺射技術、模板技術、靜電紡絲技術、原位聚合技術、異相成核技術、刻蝕技術、電化學沉積技術、化學鍍技術、相分離技術、3D打印技術、冷凍干燥技術、交替沉積技術等具體實施手段的作用原理，為實現不同材料的高科技利用，提供新的途徑。
（2）系統介紹仿生技術在不同領域的應用
全書包含仿生學與仿生材料、仿生技術制備特殊潤濕性材料、仿生技術制備智能（響應）材料、仿生機器人與傳感技術、仿生技術的發展與應用五個章節，由淺入深、圖文并茂地向讀者介紹了如何通過仿生技術中的各種具體實施手段及不同技術之間的交叉融合，獲得一系列性能仿生與智能響應材料，并進一步予以結構與功能優化。
（3）注重學科交叉融合、體現前瞻性和先進性
本書注重多學科的科學理論交叉融合以及先進制備技術的具體運用；綜述了仿生技術及合成的仿生智能材料在智能機器人、藥物遞送、海水淡化、結構損傷檢測、可穿戴電子器件、水體凈化、海上油污處理、健康監測、智能探針等領域的研究新進展；引用了國內外諸多專家學者的大量相關文獻資料，并重視其研究內容的先進性、前瞻性和實踐性。
感謝本課題組的研究生施鐳、周凝宇、安聰聰、李正輝、鄭定強和龍壽富，他們在本書的編寫過程中積極、熱情地做了許多有益的整理工作。最后，向關心和參與本書編寫的所有同仁表示由衷的感謝！對書中所引用的文獻資料的作者表示誠摯謝意！
本書是作者在參考大量國內外文獻并總結所在課題組多年研究成果的基礎上編寫而成，內容廣博，具有一定撰寫難度，限于時間和作者水平，欠妥之處懇請讀者不吝賜教，謹致謝忱！

張明　
2023年9月

張明，女，1987年11月生，中共黨員，研究生學歷，東北林業大學和美國賓夕法尼亞大學聯合培養博士，師從李堅院士，合作導師王成毓教授、楊澍教授、時君友教授?，F就職于北華大學材料科學與工程學院，仿生材料研究室負責人，副教授。自2014年9月任教以來，先后擔任本科生及研究生課程近20門，如仿生智能材料、天然功能高分子材料、生物質納米化學、生物質納米復合材料組裝技術等。
長期從事植物纖維素生物質的仿生特殊潤濕性制備與水體凈化機制、纖維素納米纖絲化處理、改性與功能、智能性組裝。先后主持吉林省發改委產業創新專項（2023C038-2）、吉林省自然科學基金項目（YDZJ202201ZYTS441）、吉林省優秀青年人才基金項目（20190103110JH）、吉林省教育廳科學技術研究項目（JJKH20210050KJ）、科技部國家重點實驗室開放基金項目（K2019-08，KFKT202213）、教育部國家重點實驗室開放基金項目（SWZ-MS201910）、吉林市杰出青年人才基金項目（20200104083）等科研項目。在國內外權威期刊發表論文近50篇，其中，SCI收錄近40篇（H因子20，二區以上近30篇，總影響因子大于200，他引總頻次大于1500），出版學術著作2部；申請國家發明專利10項，美國發明專利1項。

仿生技術是利用自然的仿生原理與最前沿的科學技術手段，設計開發具備特殊優異性能的功能材料和智能材料，屬于材料科學與技術最先進的發展方向之一。本書從自然界具有特殊優異性能的生物結構與組成出發，分析了仿生材料的設計理念、產品結構與功能/智能關系，闡明了仿生技術具體實施手段的作用機理、具體選用與過程參數對目標產品結構與功能/智能的影響規律，系統介紹了仿生技術在不同領域的應用，圖文并茂。
本書可供新能源材料，高分子材料，環境工程，碳素材料，納米材料，生物質資源物理、化學和醫用材料等專業學生學習，也可供從事相關行業的研究、生產和管理人員閱讀參考。
　

第1章　仿生學與仿生材料
1.1　仿生學簡介 2
1.2　仿生材料 2
1.3　材料的結構仿生 3
1.3.1　貝殼及其層狀結構 3
1.3.2　螳螂蝦及其螯棒結構 4
1.3.3　蜘蛛絲及其纖維結構 4
1.3.4　木材及其獨特孔道結構 6
1.3.5　骨骼及其有序結構 7
1.3.6　樹根及其自修復性 9
1.3.7　棉花及其輕柔飄逸特性 10
1.3.8　鐵定甲蟲及其盔甲結構 10
1.4　材料的功能/智能仿生 11
1.4.1　荷葉及其超疏水性 11
1.4.2　蝴蝶翅膀及其結構色 11
1.4.3　北極熊皮毛及其保溫性 12
1.4.4　貽貝絲足及其黏附性 13
1.4.5　變色龍皮膚及其變色機制 14
1.4.6　仙人掌及其集水原理 14
1.4.7　壁虎腳墊及其黏著性 15
1.4.8　水稻葉及其各向異性 16
1.4.9　鯊魚皮膚及其減阻防污性 17
1.4.10　槐葉、豬籠草及其超滑性 18

第2章　仿生技術制備特殊潤濕性材料
2.1　固體表面潤濕性機制與模型 20
2.1.1　固體表面潤濕過程 20
2.1.2　氣/液/固三相體系潤濕性模型 21
2.1.3　液/液/固三相體系潤濕性模型 24
2.2　特殊潤濕性材料簡介 26
2.2.1　超疏水-超親油性表面 26
2.2.2　超親水-超疏油性表面 27
2.2.3　超雙疏性表面 28
2.2.4　超親水-水下超疏油性表面 29
2.2.5　杰納斯（Janus）特殊潤濕性表面 30
2.3　特殊潤濕性材料的仿生制備技術 33
2.3.1　自組裝技術 34
2.3.2　噴/滴涂技術 35
2.3.3　溶膠-凝膠技術 37
2.3.4　化學沉積技術 38
2.3.5　水熱法、水熱合成技術 40
2.3.6　真空-高壓浸漬技術 41
2.3.7　磁控濺射技術 44
2.3.8　模板技術 45
2.3.9　原位聚合技術 45
2.3.10　異相成核技術 49
2.3.11　刻蝕技術 49
2.3.12　電化學沉積技術 53
2.3.13　化學鍍技術 55
2.3.14　相分離技術 57
2.3.15　靜電紡絲技術 60
2.3.16　3D 打印技術 62
2.3.17　冷凍干燥技術 65
2.3.18　交替沉積技術 68

第3章　仿生技術制備智能（響應）材料
3.1　磁場響應型智能材料 73
3.1.1　磁場響應材料的作用原理 73
3.1.2　仿生技術制備磁場響應材料 74
3.2　pH 值響應型智能材料 75
3.2.1　pH 值響應材料的作用原理 75
3.2.2　仿生技術制備pH 值響應材料 76
3.3　光響應型智能材料 79
3.3.1　光響應材料的作用原理 79
3.3.2　仿生技術制備光響應材料 79
3.4　溫度響應型智能材料 82
3.4.1　溫度響應材料的作用原理 82
3.4.2　仿生技術制備溫度響應材料 83
3.5　電場響應型智能材料 84
3.5.1　電場響應材料的作用原理 84
3.5.2　仿生技術制備電場響應材料 85
3.6　力響應型智能材料 87
3.6.1　力致變色智能材料及其仿生制備 87
3.6.2　壓阻壓力傳感材料及其仿生制備 88
3.7　離子刺激響應型智能材料 89
3.7.1　陽離子響應材料及其仿生制備 89
3.7.2　陰離子響應材料及其仿生制備 92
3.8　其他（多重）刺激響應型智能材料 93
3.8.1　氣體刺激響應材料及其仿生制備 93
3.8.2　溶劑刺激響應材料及其仿生制備 95
3.8.3　濕度刺激響應型智能材料及其仿生制備 97
3.8.4　多重刺激響應型智能材料及其仿生制備 99

第4章　仿生機器人與傳感技術
4.1　仿生機器人 102
4.1.1　仿生機器人分類 102
4.1.2　仿生機器人歷史進程 103
4.2　陸地仿生機器人 104
4.2.1　足式機器人 104
4.2.2　跳躍機器人 107
4.2.3　攀爬機器人 108
4.3　空中仿生機器人 110
4.3.1　仿昆蟲機器人 110
4.3.2　仿鳥機器人 111
4.3.3　仿蝙蝠機器人 112
4.4　水下仿生機器人 113
4.4.1 仿魚機器人 114
4.4.2 仿軟體類機器人 115
4.5 視覺仿生探測技術 116
4.5.1 仿螳螂蝦視覺成像技術 117
4.5.2 仿鷹眼探測技術 119
4.5.3 仿魚眼凝視紅外成像技術 120
4.5.4 仿人眼視網膜傳感技術 121
4.5.5 仿昆蟲復眼成像技術 122
4.6 聽覺仿生探測技術 123
4.6.1 人耳對聲音的感知過程 123
4.6.2 仿人耳聽覺感知模型 124
4.6.3 目標聲音識別分類器 124
4.7 力覺、觸覺處理技術 125
4.7.1 力觸覺的物性信息識別 125
4.7.2 力觸覺再現裝置 126
4.7.3 力反饋數據手套 127
4.7.4 仿生皮膚 128
4.8 仿人機器人 128

第5章　仿生技術的發展與應用
5.1 藥物遞送領域 133
5.1.1 蛋白質類原料 134
5.1.2 多糖類原料 135
5.1.3 纖維素氣凝膠類 138
5.1.4 殼聚糖類 140
5.1.5 海藻酸鹽類 141
5.1.6 復合纖維素類 143
5.2 海水淡化領域 144
5.2.1 直接炭化木材 145
5.2.2 碳納米材料與木材復合 147
5.2.3 半導體材料與木材復合 149
5.2.4 高分子聚合物與木材復合 150
5.2.5 貴金屬材料與木材復合 152
5.3 結構損傷檢測領域 153
5.3.1 壓電材料 154
5.3.2 外貼式壓電傳感器 155
5.3.3 表面涂覆式壓電傳感器 156
5.4 可穿戴電子器件領域 158
5.4.1 電子皮膚 158
5.4.2 柔性太陽能電池 160
5.4.3 柔性超級電容器 162
5.4.4 納米發電機 164
5.4.5 柔性屏幕 166
5.5 水體凈化領域 167
5.5.1 油水分離 168
5.5.2 消毒殺菌 172
5.5.3 有機染料去除 175
5.5.4 重金屬離子吸附 177
5.6 健康監測領域 179
5.6.1 柔性電子可穿戴設備 179
5.6.2 可穿戴變色傳感器 181
5.7 其他研究與應用 183

參考文獻 186

作者簡介 189

作者發表的主要論文和著作 190