仿生材料：设计与合成

仿生材料是通过学习、模仿和优化自然界生物材料的结构与功能，开发出的新一代材料，具有性能优于传统人工材料、可更好服务于人类等特点。仿生材料的研究将自然界材料的结构和功能协同互补有机结合，为解决现有科学技术难题提供了新思路、新理论和新方法。
本书共分9章，系统阐释了仿生材料的研究内容与研究意义、可供模仿的材料模本、仿生材料的设计理念与基本要素，重点介绍了各类仿生材料的研究热点、设计原则、应用领域。本书具有系统性、前沿性、创新性和趣味性，特别是书中详述的大量生动实例和最新研究进展，将会让读者收获颇丰。
本书可作为仿生科学与工程、材料科学与工程、化学、生物工程、机械工程等专业的教师、本科生、研究生的教学或科学研究参考书，也可供相关学科专业的研究人员、技术人员和管理人员参考。

梁云虹，吉林大学工程仿生教育部重点实验室，教授，博士生导师，工程仿生国家地方联合实验室常务副主任、工程仿生国家国际合作基地副主任，英国曼彻斯特大学航天与机械学院访问学者。国家自然科优秀青年基金获得者，国家未来科学家项目获得者，吉林大学唐匡特聘领军教授、吉林大学双带头人工作室负责人、吉林大学优秀青年教师精英培养计划获得者。教育部人才项目评审专家，教育部学位论文评审专家、国家自然基金项目评审专家。担任国际仿生工程学会青年委员、《JournalofBionicEngineering》、《Bio-DesignandManufacturing》青年编委和吉林省增材制造学会秘书长等。 近年来主要从事仿生功能材料制造与多功能3D打印装备开发研究，主持主持国家自然基金、科技部重点研发专项子项、装备预研教育部联合基金、军委基础加强课题等国家、省部级项目20余项；一作者或通讯在AdvancedScience、AdvancedFunctionalMaterials、Small等杂志发表SCII/EI论文60篇以上，出版《仿生学导论》、《耦合仿生学》专著2部，牵头制订机械部件轻量化国家团体标准1项。获吉林省青年科技奖、中国商业联合会科技进步二等奖、中国机械工业联系合科技进步二等奖、教育部科技进步二等奖、吉林省技术发明奖一等奖、吉林省自然科学学术成果奖二等奖等省部级奖励7项。

系统全面：涵盖仿生材料多方面，从基本概念到前沿进展，展现清晰学科脉络。 前沿新颖：引用国际知名期刊实例，呈现国际前言研究成果与热点。 创新编排：通过对比分析强调向自然学习，独具启发。 趣味丰富：引入大量实例，激发对大自然的兴趣与敬畏。 适用广泛：融合科普与专业，适用于多专业学生及相关研究人员。 作者资深：作者研究经验丰富，教学成果显著。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱，材料与国民经济建设、国防建设、人民生活密切相关。仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。进入21世纪以来，仿生材料的体系和内涵不断扩大，突出的特点是仿生学与材料科学紧密结合、基础研究与应用研究紧密结合。研究仿生材料的重要科学意义在于，它将自然界经过长期进化形成的材料结构与功能，通过学习、模仿和优化，转化为性能优于传统人工材料、可更好服务于人类的新一代材料。仿生材料的研究将自然界材料的结构功能协同互补有机结合，在生物学和技术之间架起了一座桥梁，实现认识自然、模仿自然、超越自然的目标，为科学技术创新提供了新思路、新理论和新方法，对解决现有技术难题提供了助力。然而，一直以来，国内缺乏对仿生材料进行系统性介绍的学术性书籍，而适用于高等院校和科研机构人才培养的材料仿生学教学用书也少见。鉴于此，我们撰写了本书。
本书著者从事仿生材料研究已20余载，也担负着硕士生、博士生的指导与教学任务。2005年，吉林大学设立了仿生科学与工程硕士学位点和博士学位点，2019年，吉林大学设立了仿生科学与工程新工科本科专业，并开设了多门有关仿生材料的本科生、研究生课程，其中“材料仿生学”“仿生智能材料”“仿生制造基础”由我们承担，但一直未有正式的书面教材。
本书由梁云虹构思，拟订全书章节纲目，提供积累的相关资料，并对全书进行了统稿、修改、补充与完善；全书由梁云虹、马愫倩、刘子睿与李依凡共同执笔。
本书从仿生材料入手，试图对仿生材料的设计理念、功能结构、前沿进展尽可能做全面介绍。第1章概述了材料仿生学的定义、研究内容与研究意义等。第2章呈现了自然界中可供人类模仿的材料模本，包括生物材料、生境材料、生活材料等。第3章着重讲解材料仿生设计的基本理念与要素，包括材料成分与结构仿生设计、材料形成过程仿生设计、生物质仿生设计、能量传递仿生设计等，这是制备高性能仿生材料的基础。第4章聚焦仿生材料的研究热点和前沿，如仿生超材料、仿生石墨烯材料、仿生活性材料等。第5章～第8章分别阐述了仿生复合材料、仿生结构材料、仿生功能材料、仿生智能材料的设计原则及应用。第9章为结论与展望。本书具有以下特点：
① 系统性围绕仿生材料的基本特性，系统讲述了仿生材料的基本概念、基本理论、设计要素、制备方法、研究实例，也阐明了材料仿生学在不断深化、不断扩展的过程中，已发展成为脉络清晰、纵横交融、多学科交叉的新兴学科。
② 前沿性本书引用Nature、Science、PNAS等国际著名期刊最近发表的许多研究实例，介绍了仿生材料的热点研究领域和最新研究成果，展现了仿生材料多学科交叉前沿研究的惊人进展。
③ 创新性在介绍仿生材料研究进展的基础上，本书通过人工材料与生物材料多个方面的大量比照分析，阐明了自然是人类之师，人类一定要向自然学习。这一创新性的编排将会使读者受到启发。
④ 趣味性本书有意识地引入大量实例，不仅有仿生的经典范例和近年来的研究成果，更有生物和大自然才智的精彩展现，目的是激发人们对大自然的敬畏和热爱，引导读者对仿生的兴趣、关注与参与。
本书将科普与专业相结合，可作为仿生科学与工程、材料科学与工程、化学、生物工程、机械工程等专业的研究生和大学本科高年级学生的教学用书，以及从事该领域相关研究的技术人员的参考书，亦可作为科学爱好者的科普读物。如果本书能够引起广大读者对仿生材料的兴趣，我们将倍感欣慰！
本书在撰写过程中参阅和引用了国内外相关文献资料，在此，向所有原作者表示感谢，同时，向关心、支持本书著述、出版的专家、学者和同事谨致谢意。
鉴于仿生材料领域发展快、应用广，几乎每天都有新进展和新成果，因此在内容上可能会有考虑不周或遗漏之处。此外，限于著者学识与精力，书中难免会有疏漏与不足之处，恳请读者批评指正！

著者

第1章材料仿生学概述001
1.1材料仿生学含义001
1.2材料仿生学研究内容002
1.3仿生材料的分类007
1.4材料仿生学研究意义009
参考文献009

第2章大自然中的材料011
2.1生物材料011
2.1.1生物功能材料特性研究011
2.1.2生物现象材料特性研究015
2.2生活材料018
2.2.1日常生活材料研究018
2.2.2人文生活材料研究023
2.2.3本体生活材料研究027
2.3生境材料035
2.3.1自然景观材料研究036
2.3.2自然现象材料研究041
2.3.3自然生态材料研究046
参考文献049

第3章材料仿生设计理念054
3.1基于生物材料成分与结构特性的设计054
3.2基于生物材料形成过程的仿生设计059
3.3基于生物质的仿生设计066
3.3.1动物生物质材料仿生设计066
3.3.2植物生物质材料仿生设计073
3.3.3微生物生物质材料仿生设计080
3.4基于物质与能量传递行为的仿生设计083
3.4.1光合作用084
3.4.2新陈代谢087
3.5基于生境材料的仿生设计089
参考文献093

第4章材料仿生研究前沿097
4.1仿生超材料097
4.2仿生石墨烯材料103
4.3类生命仿生活性材料108
4.4微型电池仿生材料112
4.5仿生类脑材料117
4.6仿生柔性传感材料120
参考文献124

第5章仿生复合材料127
5.1仿生复合材料设计原则127
5.1.1复合相设计127
5.1.2复合界面设计130
5.2仿生高分子基复合材料134
5.3仿生金属基复合材料138
5.4仿生无机非金属基复合材料141
参考文献144

第6章仿生结构材料146
6.1仿生结构材料设计原则146
6.2仿生多孔结构材料153
6.3仿生螺旋结构材料157
6.4仿生梯度结构材料160
参考文献164

第7章仿生功能材料167
7.1仿生功能材料设计原则167
7.2仿生超浸润材料171
7.3仿生变色材料177
7.4仿生超强韧材料181
参考文献185

第8章仿生智能材料187
8.1仿生智能材料设计原则187
8.2仿生感知与驱动材料189
8.3仿生4D材料197
8.4仿生形状记忆材料201
8.5仿生传感材料206
参考文献212

第9章结论与展望215