仿生纺织品的设计及应用
仿生技术在纺织品中的应用
ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｔ ｈ ｏ ｍｅ ａ ｎ ｄ ａ ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｙ ｆ ａ ｓ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｔ ｅ ａ ｗｉ ｄ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｍｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｒ ｙ ， ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ ， ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｔ ｅ ｘ ｔ ｉ ｌ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｓ ．Ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ａ ｈ ｏ ｔ ｔ ｏ ｐ ｉ ｃ ｂ ｙ ｓ ｃ ｈ ｏ ｌ ａ ｒ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ， ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｍａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｘ ｔ ｉ ｌ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｎ ｅ ｗ ｉ ｄ ｅ ａ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｅ ｘ ｔ ｉ ｌ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ．
信 息产业 以及 纺织 业等领域都有 相当广泛的应用 ，仿 生技术 已成为 国内外学者研究 的热 门课 题。介 绍 了仿生技 术 的概念 、分类 、研究 的主要 内容 和仿生技术在纺织 品中的应用 。仿生 学的发展及在纺织业 中的应 用为纺织业
浅析工业产品中的仿生设计
浅析工业产品中的仿生设计工业产品中的仿生设计一直是一个备受关注的话题。
随着科技和科学的不断发展，仿生设计在工业产品中的应用越来越广泛，对产品的功能性和美观性都有很大的提升。
本文将从什么是仿生设计、工业产品中的仿生设计案例和优势等方面进行浅析，希望能为大家更好地了解仿生设计在工业产品中的应用。
一、什么是仿生设计首先要明确什么是仿生设计。
仿生设计是一种以生物系统、生物结构、生物原理为灵感的设计方法。
通过模仿生物体的结构、功能和系统，将其应用到产品或工艺中，实现更高效、更智能、更节能、更环保的设计。
仿生设计可以借鉴生物体的构造、形态、运动、感知、适应等特性，将这些特性应用到工业设计中，从而实现更加符合人体工程学和环境友好的产品。
仿生设计被誉为是一种创新性强、可持续发展性强的设计方法。
二、工业产品中的仿生设计案例1. 飞机机翼仿生设计飞机机翼的设计一直是航空工程领域的重点研究对象。
传统的飞机机翼设计通常是根据人工飞行器的设计原理，采用直线翼、扇形翼等结构，但这些设计结构存在飞行阻力大、燃料消耗多等问题。
而通过仿生设计的方法，科学家们发现鹰、雄鹰等鸟类的翅膀结构可以为飞机机翼提供更好的设计灵感。
鸟类的翅膀结构复杂而优美，能够减小风力阻力、提高飞行效率。
仿生设计方法被应用到飞机机翼设计中，通过改变机翼横截面形状、表面材料、结构布置等方面，实现更加符合生物体翅膀结构的飞机机翼设计。
这种仿生设计不仅提高了飞机的飞行效率，还减小了飞机的能耗，符合了可持续发展的要求。
2. 纳米材料仿生设计纳米材料是当前材料工程领域的研究热点之一。
纳米材料具有尺寸小、比表面积大、力学性能优异等特点，被广泛应用于能源领域、电子领域、医学领域等。
而在纳米材料的设计中，仿生设计方法也得到了广泛应用。
仿生设计可以借鉴蜻蜓翅膀的微结构，设计出更加柔韧、更加坚固的纳米材料。
这种仿生设计方法不仅提升了纳米材料的稳定性和耐久性，还为纳米材料的性能优化提供了一种新的思路和方法。
仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展
第３１卷㊀第６期２０２３年１１月现代纺织技术ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｘｔｉｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.３１ꎬＮｏ.６Ｎｏｖ.２０２３ＤＯＩ:１０.１９３９８∕ｊ.ａｔｔ.２０２３０２０３２仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展张㊀蕊１ꎬ郑莹莹１ꎬ董正梅１ꎬ张㊀婷２ꎬ沈利铭２ꎬ王㊀建１ꎬ３ꎬ邹专勇１(１.绍兴文理学院ꎬａ.纺织服装学院ꎻｂ.浙江省清洁染整技术研究重点实验室ꎬ浙江绍兴㊀３１２０００ꎻ２.浙江喜临门软体家具有限公司ꎬ浙江绍兴㊀３１２０００ꎻ３.江南大学纺织科学与工程学院ꎬ江苏无锡㊀２１４１２２)㊀㊀摘㊀要:为进一步推动仿生技术在纺织领域的应用ꎬ并拓宽仿生智能织品的应用领域ꎬ对近几年国内外仿生设计纺织品的研究和发展现状及应用进行综述ꎮ首先介绍了基于仿生设计的隔热纺织品ꎬ归纳了仿动物毛发中空结构㊁羽绒分支结构以及其他生物结构的隔热纺织品ꎻ简要概述了仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物结构的结构生色纺织品ꎻ然后分析了基于仿生设计的超疏水纺织品ꎬ总结了仿荷叶㊁水黾腿以及其他生物结构的超疏水纺织品ꎻ阐述了受人体皮肤结构启发的智能纤维以及受自然界中不同动植物结构启发的仿生智能传感纺织品ꎻ最后总结了仿生智能纺织品在多个领域的潜在应用ꎬ并展望其未来发展方向ꎬ以期为仿生设计智能纺织品的广泛应用提供理论和技术参考ꎮ关键词:仿生设计ꎻ智能纺织品ꎻ隔热纺织材料ꎻ超疏水纺织品ꎻ结构生色纺织品ꎻ智能纤维中图分类号:ＴＳ１０６㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００９￣２６５Ｘ(２０２３)０６￣０２２６￣１５收稿日期:２０２３０２２３㊀网络出版日期:２０２３０６０７基金项目:绍兴文理学院研究生校级科研项目(Ｙ２０２２０７０６)作者简介:张蕊(２０００ )ꎬ女ꎬ山东菏泽人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事纤维基传感器件方面的研究ꎮ通信作者:王建ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｊｗａｎｇ＠ｕｓｘ.ｅｄｕ.ｃｎ㊀㊀自古以来ꎬ自然界就是人类各种技术灵感和重大发明的源泉ꎮ种类繁多的生物界经过亿万年的进化过程ꎬ使生物体具有优异的结构功能来适应环境的变化ꎬ从而得到生存和发展ꎮ人类长时间的生产实践促进了思维的发展ꎬ人类的智慧不仅仅停留在生存以及认识生物类群上ꎬ而且还运用人类所特有的思维向自然学习ꎬ并设计模仿生物结构或形态ꎬ通过创造性的劳动提高自身的能力[１￣２]ꎮ人类从生物体优异的结构功能中获得启发ꎬ通过模仿生物体的结构㊁形态㊁功能和行为来解决当今所面临的技术问题[３￣４]ꎬ是人类又一伟大的进步ꎮ对于纺织行业而言ꎬ通过对纤维材料进行仿生设计是获得性能优异纺织品的一个重要方法[５￣６]ꎮ智能仿生纺织品主要是受自然界生物体结构和性能的启发来设计的能对外部环境刺激做出反应的纺织品ꎬ使所制备的智能纺织品获得由这些特殊结构带来的优异功能[７￣８]ꎮ随着智能技术和生物科学的不断进步ꎬ仿生技术已经有了很大的发展ꎬ仿生技术在纺织业中的应用也日渐广泛[９￣１０]ꎮ本文对近年来国内外基于仿生设计原理的智能纺织品进行综合分析ꎬ介绍基于仿生设计的隔热纺织品ꎬ归纳仿动物毛发中空结构㊁羽绒分支结构以及其他生物结构的隔热纺织品ꎻ简要概述仿生蝴蝶翅膀和仿其他生物结构的结构生色纺织品ꎻ然后分析基于仿生设计的超疏水纺织品ꎬ总结仿荷叶㊁水黾腿以及其他生物结构的超疏水纺织品ꎻ阐述受人体皮肤结构启发的智能纤维以及受自然界中不同动植物结构启发的仿生智能传感纺织品ꎻ最后总结仿生智能纺织品在多个领域的潜在应用ꎬ并展望其未来发展方向ꎬ以期为仿生设计智能纺织品的广泛应用提供理论和技术参考ꎮ１㊀基于仿生设计的隔热纺织品随着科技的进步ꎬ人们发现许多动物皮毛拥有特殊的内部结构ꎬ以具备优异的隔热保温性能ꎮ通过仿生技术ꎬ研制出可比拟动物毛发特殊结构的隔热保暖纤维ꎬ对开发高性能的隔热保温纺织品具有重要的借鉴意义ꎮ１.１㊀仿生动物毛发中空结构的隔热纺织品北极熊靠着厚厚的毛皮和脂肪层来抵御寒冷ꎬ它们的毛皮看似白色ꎬ皮却是半透明的ꎬ厚厚的毛皮也不止保温[１１]ꎬ更是能够将阳光的热量传至皮肤ꎮ其毛发结构中空多孔ꎬ且壳层质密ꎬ如图１(ａ)所示ꎬ可以有效锁住空气ꎬ避免产生热对流ꎬ减少热量的流失ꎬ从而实现保温的功能[１２]ꎮ因此ꎬ北极熊的毛发结构及其性能具有重要的参考价值ꎮ许多科研人员仿北极熊毛发的微观结构制备出了人造中空纤维ꎮ如Ｗａｎｇ等[１３]采用冷冻纺丝技术制备了一种聚酰亚胺气凝胶纤维ꎮ通过冷冻纺丝技术获得具有对齐孔的聚(酰胺酸(ＰＡＡ))纤维ꎬ通过冷冻干燥工艺之后ꎬＰＡＡ纤维保留了其多孔结构ꎬ通过程序化热酰亚胺化工艺后ꎬ最后将ＰＡＡ纤维转化为聚酰亚胺纤维ꎬ采用这种纤维编织的纺织品具有优异的隔热性能ꎮ类似地ꎬＺｈａｎ等[１４]通过溶液水热方法制备出具有超弹性和隔热性能的宏观尺度碳管气凝胶(ＣＴＡ)ꎬ如图１(ｂ)所示ꎮ其中使用碲纳米线(ＴｅＮＷｓ)作为牺牲模板ꎬ所制备的ＣＴＡ具有优异的抗疲劳机械性能和极低热导率的超绝热性能ꎬ在节能建筑㊁能量储存和航空航天等应用领域中有较大的发展前景[１５]ꎮ除此之外ꎬ湿法纺丝工艺也是制备中空纤维较为常见的方法ꎮＺｈａｏ等[１６]采用湿法纺丝工艺制备了聚氨酯∕聚偏氟乙烯仿生多孔纤维ꎮ该纤维包括定向亚纤维㊁纳米多孔皮层和管状孔ꎬ具有交叉尺度多孔网络的层状纤维结构ꎮ由仿生纤维编织的纺织品与皮革的孔径分布相似ꎬ因此具有优良的热绝缘性能ꎮＷａｎｇ等[１７]采用湿法纺丝和聚合物溶液发泡相结合的方法制备了聚氨酯∕聚丙烯腈中空泡沫纤维ꎮ制备的多孔热塑性聚氨酯∕聚丙烯腈复合纤维具有优异的延展性ꎬ即使在压缩或拉伸变形下ꎬ相应的机织物仍表现出优良的热绝缘性能ꎬ为研制新型结构功能集成纤维隔热纺织材料铺平了道路ꎮ图１㊀北极熊毛发结构和受北极熊毛发启发的制备工艺Ｆｉｇ.１㊀Ｄｉａｇｒａｍｏｆｐｏｌａｒｂｅａｒｈａｉｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｓｐｉｒｅｄｂｙｐｏｌａｒｂｅａｒｈａｉｒ㊀㊀同北极熊毛发相似ꎬ企鹅羽毛也是多孔结构ꎬ但企鹅羽毛的主轴内部为 泡沫状 的多孔结构[１８]ꎬ如图２所示ꎬ其外部表面的孔径很小ꎬ这种多孔结构提高了其保温隔热的性能[１９]ꎮ孙正等[２０]以碳纤维为基底制备了一种基于仿生企鹅羽毛排布的防热复合材料ꎬ具有较好的隔热效果ꎬ能够承受高温㊁维持７２２ 第６期张㊀蕊等:仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展恒温㊁质量轻㊁强度高等优点ꎮＹｅ等[２１]受企鹅羽毛的启发ꎬ采用静电纺丝方法制备了聚丙烯腈∕钛酸钡纳米颗粒冷却材料和聚丙烯腈∕炭黑纳米颗粒加热材料的仿生双功能复合材料ꎬ如图３所示ꎬ实现了基于可穿戴织物的个人热管理和自驱动人机交互功能ꎬ对人机界面系统㊁可穿戴电子设备㊁生物医学㊁柔性机器人等领域产生了重大而深远的影响ꎮ图２㊀仿企鹅羽毛和北极熊毛发的高绝缘性能的纤维结构的示意Ｆｉｇ.２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｆｉｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｈｉｇｈｉｎｓｕｌａｔｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｔｍｉｍｉｃｓｐｅｎｇｕｉｎｆｅａｔｈｅｒｓａｎｄｐｏｌａｒｂｅａｒｈａｉｒ１.２㊀仿生羽绒分支结构的隔热纺织品为了使织物具有良好的隔热效果ꎬ一种方法是通过中空结构的纤维捕获大量的空气以增加热阻ꎬ另一种方法是模仿羽绒的自然特性ꎬ开发具有特殊横截面形状的异性纤维织物[１９]ꎮ其中鹅绒和鸭绒因其特殊的分叉结构和优越的保暖性能被广泛研究和应用于保暖隔热纺织品ꎮ鹅绒结构由一根粗主干纤维和大量细分支纤维组成[２２]ꎬ如图４(ａ)所示ꎮ主干纤维提供机械支撑以确保鹅绒的结构稳定性ꎬ而分支纤维则能够固着更多的静态空气ꎬ起到保暖效果ꎮ尽管羽绒具有优异的性能ꎬ但有关人造羽毛类纤维制备的报道不多ꎬ现有的人造纤维均是在纤维上骨架上生长刚性无机或超分子分支来实现的ꎮ由于使用的材料刚性较高ꎬ纤维分支的长度有了很大的限制ꎮ为此ꎬＸｕ等[２３]采用一种可规模化生产方法制备了鹅绒状对位芳纶纤维及其非织造材料ꎮ通过弱碱溶液(低浓度的氢氧化钠水溶液)处理商用对位芳纶微米纤维ꎬ在化学水解和物理剪切力的共同作用下ꎬ对位芳纶纤维表面剥离生成了大量的纳米纤维分支ꎬ如图４(ｂ)所示ꎮ鹅绒状纤维构成的非织造布具有典型的多尺度纤维形态㊁更大的比表面积和更小的孔径ꎬ也因此具有高隔热性能(导热系数为２６.１ｍＷ∕(ｍ Ｋ))ꎮ杜邦公司采用以丙二醇为原料的聚合物和独特的生产工艺开发出一种新型保暖纤维[２４]ꎬ该纤维材料的蓬松性㊁手感和保暖性接近天然羽绒纤维ꎬ且可以水洗㊁不钻绒ꎬ是天然羽绒理想的替代品ꎮ除了鹅绒之外ꎬ鸭绒同样表现出高度有序和分层的分支结构ꎬ隔热性能主要归功于其纳米尺度和分支结构中的捕获空气ꎮ图３㊀受企鹅毛发启发的双重温度调节材料Ｆｉｇ.３㊀Ｄｕａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｉｎｓｐｉｒｅｄｂｙｐｅｎｇｕｉｎｈａｉｒ８２２ 现代纺织技术第３１卷图４㊀鹅绒结构和仿鹅绒的制备工艺示意Ｆｉｇ.４㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｏｏｓｅｄｏｗｎａｎｄｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｍｉｔａｔｉｏｎｇｏｏｓｅｄｏｗｎ１.３㊀仿生其他生物结构的隔热纺织品除了上述受北极熊和企鹅毛发㊁鹅绒鸭绒启发的隔热纺织材料外ꎬ还有其他的生物结构也可以作为制备仿生隔热材料的参考ꎮＷａｎｇ等[２５]受沙漠中撒哈拉银蚁在极热条件下顽强的生存能力的启发ꎬ通过模仿其微米晶体棒形状的毛发合成了独特的六方氧化锌微棒ꎬ并用聚二甲基硅氧烷(ＰＤＭＳ)进一步涂覆在聚酯织物上ꎬ可以作为坚固的太阳能屏蔽材料ꎬ具有潜在的广泛应用ꎮ除此之外ꎬ被誉为沙漠之舟的骆驼ꎬ可以适应恶劣的沙漠高温环境ꎬ主要是由于驼峰的特殊结构所致ꎬ其结构由外表皮肤㊁脂肪层和汗腺组成[２６]ꎬ如图５(ａ)所示ꎮ当骆驼缺水时ꎬ身体会分解驼峰中的脂肪ꎬ使其转化为水分和能量ꎻ汗腺具有收缩和开放调节机制ꎬ在白天的高温环境下ꎬ最大限度减少水分通过汗腺进行蒸发ꎬ而到了夜晚气温下降时ꎬ则通过热交换的方式进行散热ꎮ图５㊀仿驼峰结构的层级织物设计示意图和工作机制Ｆｉｇ.５㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｆａｂｒｉｃｄｅｓｉｇｎｉｍｉｔａｔｉｎｇｈｕｍｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅ９２２ 第６期张㊀蕊等:仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展武汉纺织大学徐卫林院士团队[２６]据此仿生设计了多层次结构的热防护与热管理纺织品ꎬ如图５(ｂ)所示ꎬ在两层织物之间嵌入有序的热绝缘单元ꎬ可以有效地阻挡人体皮肤的热量散失ꎮ仿驼峰结构的层级织物具有更强的隔热能力ꎬ并能让液体通过分布式排汗通道持续单向流动ꎮ该织物同时显示出低热导率(０.０１９２Ｗ∕(ｍ Ｋ))㊁高透气性和透湿性ꎮ同时在极端条件下(约８０ħ)ꎬ模拟皮肤覆盖的相对湿度和温度比传统的消防员制服低约２０.６ħ和约１３.６％ꎮ２㊀基于仿生设计的结构生色纺织品色彩被运用于纺织品的各个方面ꎮ长期以来ꎬ通过对纺织品添加天然或化学染料而实现着色的方法是最普遍的彩色纺织品制备技术ꎮ然而ꎬ天然和化学染料着色却存在水资源消耗量大㊁对环境存在污染㊁颜色经长时间氧化后易褪色等问题ꎮ随着我国对绿色纺织品和生态纺织品发展的需求越来越迫切ꎬ由此产生了新型环保的结构生色技术ꎬ纺织品结构生色技术受到了纺织行业界研究者的密切关注[２７￣２９]ꎮ２.１㊀仿生Ｍｏｒｐｈｏｔｅｘ蝴蝶翅膀的结构生色纺织品㊀㊀纺织品结构生色技术是一种无须用化学染料着色就能产生的颜色ꎬ其主要是由于物体本身结构的存在对光产生了反射㊁衍射㊁干涉等物理作用产生的颜色[３０￣３１]ꎮ日本帝人公司利用生活在亚马逊河流域的闪蝴蝶翅膀产生结构色的多层薄膜干涉原理ꎬ研发了光干涉显色纤维ＭｏｒｐｈｏｔｅｘꎮＬｉｕ等[３２]制备了仿生的类似黑色素的聚多巴胺(ＰＤＡ)纳米膜涂层ꎬ为了提高色牢度和避免开裂ꎬ采用含反应性环氧基团的聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯￣甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯)(Ｐ(ＧＭＡ￣ｃｏ￣ＰＥＧＭＡ))共聚物合成黏合剂来提高ＰＤＡ结构彩色薄膜和丝绸织物之间的界面结合强度ꎬ促进了纺织品着色的发展ꎮＹａｎｇ等[３３]通过改变不同的聚合反应时间在白色棉织物上制备聚多巴胺(ＰＤＡ)膜ꎬ获得结构彩色棉织物ꎮ通过将含聚乙烯吡咯烷酮的内酰胺基团添加到具有邻苯二酚基团的ＰＤＡ膜中以形成强氢键ꎬ提高了ＰＤＡ装饰的结构彩色膜在棉织物上的色牢度ꎬ促进了结构着色在纺织品中的实际应用ꎮ除了通过化合物的聚合使织物生色外ꎬ热辅助自组装和重力沉降法也可以很好地使织物生色ꎬ如Ｌａｉ等[３４]采用热辅助自组装和重力沉降法制备了一种含氧化铜纳米颗粒和银纳米颗粒的聚苯乙烯胶体光子晶体彩色薄膜ꎬ由于铜和银材料比聚苯乙烯致密ꎬ因此金属纳米颗粒在基板底部的沉积物可以吸收散射光ꎬ从而产生生动的结构颜色ꎬ为纺织织物和仿生学的未来应用提供了可调的结构颜色ꎮ除了上述两类生色的制备工艺之外ꎬ有一种生成结构颜色的激光写入方法ꎬ无需精确复制生物结构ꎮＺｙｌａ等[３５]提出了一种基于３Ｄ直接激光写入技术成功制造模仿Ｍｏｒｐｈｏｔｅｘ蝶形的层状纳米结构的方法ꎬ使用双光子聚合在单个光敏材料中创建变形圣诞树结构的自适应横截面几何形状ꎬ不需要精确复制其表面结构ꎬ仅仅是模仿蝴蝶生物的空气和表皮尺寸的层状纳米结构ꎬ如图６所示ꎬ就可以生成结构颜色ꎮ结构生色纤维和纺织品的最大优点在于它不会像普通印染纤维和纺织品一样出现褪色的现象ꎬ而且３Ｄ直接激光写入技术可以产生多种不同的颜色ꎬ该技术为结构生色纺织品提供了新的思路ꎮ图６㊀Ｍｏｒｐｈｏ蝶的结构色和翅膀组成㊁仿Ｍｏｒｐｈｏ蝶的微结构Ｆｉｇ.６㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＭｏｒｐｈｏｂｕｔｔｅｒｆｌｉｅｓꎬｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭｏｒｐｈｏｍｉｍｉｃ２.２㊀仿生其他生物结构的结构生色纺织品孔雀羽毛和宝石甲虫翅膀呈现出各种各样的颜０３２ 现代纺织技术第３１卷色ꎬ给人一种天然的美感ꎬ其内部结构也有其特殊性ꎮ据研究人员发现ꎬ它们内部黑色素颗粒的周期性排列导致光的干涉ꎬ黑色颗粒能够吸收散射光ꎬ从而产生明亮的结构色[３６]ꎮ如图７(ａ)所示ꎬ在孔雀羽毛内部ꎬ棒状黑色素颗粒形成周期性的微观结构ꎬ吸收散射光并产生明亮的结构色[３７￣３９]ꎮ此外ꎬ宝石甲虫翅膀的闪亮绿色是来自多层干涉的典型结构色ꎬ如图７(ｂ)所示ꎬ大约有２０层黑色素和角质层交替堆叠ꎬ结构色清晰可见ꎬ其中微结构中的黑色素层适当吸收散射光[４０￣４１]ꎮ因此ꎬ聚多巴胺(ＰＤＡ)作为一种黑色素模拟材料引起了人们的关注ꎮＦａｎｇ等[４２]提出了一种基于高色牢度ＰＤＡ结构色纳米膜的环保型纺织品染色新方法ꎬ通过多巴胺的聚合反应在棉织物上成功制备了ＰＤＡ纳米膜结构色ꎮ该研究促进了纺织工业领域的清洁染色ꎮＺｈｕ等[４３]采用硫酸铜(ＣｕＳＯ４)∕过氧化氢(Ｈ２Ｏ２)诱导法在真丝织物表面构建均匀的ＰＤＡ￣黑色素膜ꎬ通过控制不同上层膜的厚度ꎬ制备了黄㊁红㊁蓝㊁绿色四种不同结构的彩色薄膜ꎮ其中由于ＰＤＡ￣黑色素聚集体纳米颗粒的独特排列和强烈的光吸收特性ꎬ所获得具有结构色的织物不依赖于角度ꎬ具有优异的颜色可见性ꎮ该方法制备不需要任何染料ꎬ颜色均匀ꎬ为织物结构色的功能性整理提供了新的思路和理论依据ꎮ图７㊀孔雀羽毛和宝石甲虫示意Ｆｉｇ.７㊀Ｄｉａｇｒａｍｏｆｐｅａｃｏｃｋｆｅａｔｈｅｒａｎｄｊｅｗｅｌｂｅｅｔｌｅ３㊀基于仿生设计的超疏水纺织品超疏水纺织品因其表面防水㊁防污㊁自清洁等特性ꎬ在日常生活㊁医药卫生㊁工农业生产㊁能量转换和环境保护等各个领域有广泛具有的应用ꎮ研究发现自然界中的荷叶表面㊁蝴蝶翅膀及水鸟羽毛等因具备优异的超疏水性能ꎬ可以达到自清洁功能ꎬ其核心是具有特殊 微纳 的粗糙结构ꎬ而有效利用仿生技术设计并构建出耐久的 微纳 的结构是超疏水纺织品改性的关键ꎮ３.１㊀仿生荷叶结构的超疏水纺织品早期的疏水性材料主要用于人们生活防护上ꎬ如雨鞋㊁雨衣㊁雨伞等ꎮ随着功能性纺织品的不断发展ꎬ疏水性材料在织物上的应用也越来越广ꎮ最典型的疏水表面是以荷叶为代表的自清洁功能的植物ꎬ通过对荷叶微观结构的分析[４４]ꎬ研究者发现荷叶的自清洁功能不仅源于粗糙表面上微米级的乳突结构及表面蜡晶ꎬ还因为荷叶表面微米结构乳突上存在着纳米结构ꎬ这种微米结构和纳米结构相结合的多级结构是荷叶表面具有自清洁功能的根本原因[４５￣４６]ꎮ正是这种具有自清洁功能的纳米结构ꎬ成为科学界热门的研究对象ꎮ抗机械能力弱是织物超疏水性能的痛点ꎬ研究人员纷纷尝试不同的材料及方法来制备机械耐久性超疏水织物ꎬ如Ｗａｎｇ等[４７]利用烟道气废弃物￣粉煤灰制备了多功能超疏水织物ꎬ该织物具有优异的超疏水性㊁自清洁性㊁抗机械能力㊁光催化性以及自熄阻燃性能ꎬ在许多领域中有较广阔的发展前景ꎮＦｏｏｒｇｉｎｅｚｈａｄ等[４８]采用喷雾法制备了稳定的无氟超疏水棉ꎬ将制备的乙烯基改性的二氧化钛水溶胶喷涂在平纹棉织物上ꎬ然后将ＰＤＭＳ溶液喷涂在经改性的二氧化钛涂布的织物上ꎬ从而制备了超疏水性海绵ꎮ该织物具有优异的自清洁性㊁化学稳定１３２ 第６期张㊀蕊等:仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展性以及耐久性ꎬ在日常生活中可以用作防水和自清洁服装ꎮＺｈａｎｇ等[４９]采用一锅浸渍法ꎬ将棉织物浸入多巴胺㊁硝酸银㊁十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中制备了超疏水棉织物ꎬ其接触角可达１６３.５ʎʃ１.５ʎꎬ油水分离效率高达９７％ꎬ因此该织物具有良好的机械性能㊁化学性能和稳定性ꎬ可以重复用于油水分离ꎮ实现织物的超疏水性能还可以对织物表面进行改性以形成微纳米多级结构ꎬ以此来提高疏水性能[５０]ꎮＣｈｅｎｇ等[５１]采用环境友好的酶蚀刻法对织物表面进行微纳结构粗糙化ꎬ然后通过热化学气相沉积工艺用甲基三氯硅烷对其进行改性ꎬ构造了复合超疏水真丝织物ꎬ如图８所示ꎮ该织物具有良好的自清洁性能和机械耐久性ꎬ且对织物的光泽㊁色泽㊁柔软性等性能影响较小ꎮＨｅ等[５２]提出了一种通过原位氟化诱导的径向聚合在商业聚酯织物上的新型表面设计策略ꎮ通过与甲基丙烯酸三氟乙酯和二乙烯基苯的径向引发接枝共聚ꎬ将具有双键的超支化纳米二氧化硅共价接枝到表面ꎬ所获得的超疏水织物显示出优异的耐久性和憎水性ꎮ此外ꎬ聚倍半硅氧烷超疏水整理也是一种微结构疏水方案ꎬＰＯＳＳ是一种新型的有机和无机结合的杂化材料ꎬ是具有三维结构的有机硅烷化合物ꎬ它特殊的纳米结构㊁纳米尺寸效应㊁交联效应及对聚合物的有效改性ꎬ吸引着人们极大关注ꎮ因此Ｈｏｕ等[５３]采用光诱导巯基￣烯点击化学方法ꎬ利用巯基硅烷对纤维进行表面改性ꎬ再与甲基丙烯酰￣七异丁基半硅氧烷(ＭＡＰＯＳＳ)进行点击偶联ꎬ增加了织物的表面粗糙度ꎬ降低了织物的表面能ꎬ成功制备了基于多面体低聚倍半硅氧烷(ＰＯＳＳ)的超疏水织物ꎬ如图９所示ꎮ该织物具有优异的耐腐蚀性㊁耐紫外线㊁耐高温㊁耐超声波洗涤以及耐机械磨损性能ꎮ图８㊀采用酶蚀刻法制备超疏水织物示意图及其超疏水织物的ＳＥＭ结构Ｆｉｇ.８㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｆａｂｒｉｃｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｅｎｚｙｍｅｅｔｃｈｉｎｇａｎｄＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｆａｂｒｉｃ图９㊀通过光诱导硫醇￣烯点击化学制备超疏水织物的过程示意Ｆｉｇ.９㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｆａｂｒｉｃｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｐｈｏｔｏ￣ｉｎｄｕｃｅｄｔｈｉｏｌ￣ｅｎｅｃｌｉｃｋｃｈｅｍｉｓｔｒｙ２３２ 现代纺织技术第３１卷３.２㊀仿生水黾腿结构的超疏水纺织品在自然界中ꎬ除了众所周知的仿荷叶结构所制备的超疏水纺织品外ꎬ还一些具有层次结构和粗糙度的动物表面可以产生显著的超疏水性ꎮ如水黾具有在水面上站立行走而不被浸湿的能力ꎮＧａｏ等[５４]表明ꎬ水黾腿部由大量细微纳米凹槽的定向微小毛发覆盖ꎬ并覆盖有角质层蜡ꎬ如图１０所示ꎬ使腿部表面防水ꎬ并使它们能够在水面上快速站立和行走ꎮ因此ꎬ启发于水黾腿纤维结构ꎬ在织物表面上形成纳米分层结构也可以提供超疏水能力ꎬ如Ｇａｏ等[５５]提出了微米和纳米级分层二氧化硅颗粒涂覆在织物上以实现超疏水仿生表面结构ꎮ采用溶胶￣凝胶法获得各种尺寸的溶胶颗粒ꎬ通过低温两步涂布工艺对织物进行涂布ꎬ由于考虑到含氟化合物基团对环境和健康存在潜在危害ꎬ选择长链烷基硅烷作为低表面能剂ꎬ对粗糙处理后的织物表面进行改性ꎬ所得的织物具有优异的疏水性ꎮ图１０㊀水黾腿纤维结构示意Ｆｉｇ.１０㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｆｉｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｗａｔｅｒｓｔｒｉｄｅｒｌｅｇ３.３㊀仿生其他生物结构的超疏水纺织品科学家通过研究壁虎脚㊁蚊子腿以及蛾翅膀等其他生物的内部结构ꎬ指出其表面结构是由微米∕纳米级双重结构组成ꎬ这种微米∕纳米级双重结构正是其超疏水性的原因ꎮ因此ꎬ研究人员们通过采用各种方法在织物表面形成微米∕纳米级双重结构从而使其具有超疏水性能ꎮ如Ｐａｎ等[５６]采用原位生长和浸涂法ꎬ在棉织物上制备了一种耐久㊁稳定的聚二甲基硅氧烷(ＰＤＭＳ)￣硬脂酸铜(ＣｕＳＡ２)超疏水涂层ꎬ从而制备了耐久性超疏水织物ꎮ制备过程无复杂工序ꎬ所用原料较为廉价ꎮ该织物显示出良好的超疏水性能ꎬ其接触角为１５８ʎꎬ同时具有良好的机械耐久性ꎮ此外ꎬＹａｎ等[５７]受黑色素和海洋贻贝的启发ꎬ通过快速氧化聚合将多巴胺在短时间内涂覆在真丝织物上ꎬ并通过聚多巴胺二级反应平台将Ｆｅ２＋接枝到织物表面ꎬ制备了具有超疏水性ꎬ阻燃性和抗紫外性的真丝织物ꎮ４㊀基于仿生设计的智能传感纺织品随着仿生设计和智能传感纺织材料的结合ꎬ智能纺织传感器在防护㊁体育㊁医疗㊁军事等领域有着巨大的发展潜力[５８]ꎬ为此成为研究者关注的焦点ꎮＺｈｕ等[５９]制备了一种多孔结构的碳纳米管∕炭黑￣聚氨酯涂层的织物和导电尼龙纤维叉指电极图案化的织物组装而成的压力传感器ꎬ该传感器具有高灵敏度㊁短响应时间和宽感测范围ꎬ可以与人体表面稳定贴合ꎬ以实现生理信号监测ꎮ４.１㊀受人体皮肤结构启发的智能纤维皮肤是人体最大的器官ꎬ它可以通过不同的皮下组织ꎬ根据外界产生的信息直接与外界相互作用ꎬ从而通过神经中枢完成对不同信息的感觉过程ꎮ受此启发ꎬＺｈａｎｇ等[６０]利用天然纤维素的自组装方法形成多孔超分子纤维网络ꎬ设计了一种新型的具有皮肤特性的纤维素仿生水凝胶(ＣＢＨ)ꎬ该水凝胶显示出优良的特性ꎬ如高拉伸性和强度㊁低模量㊁优异的弹性以及良好的生物相容性ꎬ可作为灵敏可靠的应变传感器用于人体运动监测ꎮ此外ꎬ在水性环境中实现了稳定的信号输出ꎮＷａｎｇ等[６１]报道了一种基于自组装策略的新型离子诱导技术ꎬ通过湿法纺丝法在凝固浴中形成具有仿生绒毛状表面的纤维ꎬ然后加入羟基脲进行特殊的银镜反应ꎬ得到Ａｇ∕ＡｇＣｌ∕ＰＥＤＯＴ:ＰＳＳ复合纤维具有稳定的三层核壳结构ꎬ如图１１所示ꎮ仿生Ａｇ∕ＡｇＣｌ∕ＰＥＤＯＴ:ＰＳＳ复合纤维具有双向响应性和增强的灵敏度ꎬ并对反复的外部应力表现出优异的稳定性ꎬ利用其组装的压力传感器ꎬ可以用于小应力的监测㊁柔性机器人㊁医学假肢等方面ꎮＧｈｏｓｈ等[６２]使用大面积且结构稳定的鱼胶３３２ 第６期张㊀蕊等:仿生设计在智能纺织品中的应用与研究进展。
仿生学原理在设计中的应用
仿生学原理在设计中的应用近年来，仿生学作为一门新兴的跨学科科学，逐渐引起了设计界的关注。
仿生学原理的应用不仅可以为设计师提供灵感和创新思路，还能够改善产品的性能和功能。
本文将探讨仿生学原理在设计中的应用，并分析其对设计领域的影响。
1. 生物结构与材料生物界中存在许多复杂而高效的结构，如蜘蛛丝的强韧、莲花的防污机制等。
这些结构的特点在设计中得到了广泛应用。
以蜘蛛丝为例，它具有比钢铁还要强的拉力，同时重量却很轻。
设计师可以通过研究蜘蛛丝的结构和材料，将其应用于纺织品、建筑材料等领域，提高产品的强度和耐久性。
2. 运动与机械动物的运动机制一直是设计师研究的热点之一。
鸟类的飞行、鱼类的游泳、昆虫的跳跃等都是自然界中独特的运动方式。
通过学习和模仿这些运动方式，设计师可以改进交通工具、机械设备的性能和效率。
例如，鸟类的飞行方式激发了设计师研发更高效的飞机翼型，改善了空气动力学性能，降低了油耗。
3. 传感与感知生物界的传感器和感知机制常常比人工系统更加敏锐和高效。
例如，昆虫的触角可以检测食物和危险，鲨鱼的电感应器可以寻找猎物等。
仿生学原理在传感技术领域的应用可以提高传感器的灵敏度和准确度，拓展传感器的应用范围。
此外，通过模仿人类感知机制，设计出更符合人体工程学原理的产品，提高使用者的舒适度和体验。
4. 结构优化与节能生物界中存在许多结构优化的案例，这些结构不仅具有出色的性能，还能够以最小的材料和能量消耗来实现目标任务。
例如，树叶的形状和排列方式能够最大程度地利用阳光，完成光合作用。
仿生学原理的应用可以帮助设计师优化结构，降低材料和能源的使用，实现节能环保的设计目标。
5. 柔性和适应性生物界中的许多生物体都具有柔性和适应性的特点。
例如，蜘蛛网的柔韧性和适应性使得它能够承受各种环境和力学挑战；刺猬的刚毛可以自动调整长度，以适应不同的外部环境。
仿生学原理在设计中的应用可以帮助设计师开发出具有柔性和适应性的产品，提高其适应环境和用户需求的能力。
现代仿生技术在纺织服装领域的应用
现代仿生技术在纺织服装领域的应用摘要：纺织服装的发展与自然息息相关，无论中西，都出现了服装的仿生设计现象，如Dior的郁金香廓形，中国古代服饰的马蹄袖、鱼鳞百褶裙等。
随着科技的进步，服装更加多样化，应用于纺织服装行业的仿生设计也逐渐地从“模仿”变成了“创造”，现代仿生技术的诞生推动着纺织服装领域的技术进步。
关键词：现代仿生技术；纺织服装；应用1仿生纤维1.1视觉表现———以外观效果为主由于微生物表面的非特异性小结构，它严重影响了光的折射规律，使得最终看到的光显示出独特的性质。
双层扁平纤维的设计灵感来自一种生活在热带雨林中的“蓝色闪光蝴蝶”。
它之所以得名，是因为它的翅膀散发出明亮的深蓝色光泽。
蓝闪蝶的翅膀从未有过深蓝色的黑色素，这不是黑色素着色，而是结构着色。
羽毛鳞片之间的间隙结构使光源能够在彼此之间连续地进行反射、映射、干涉和累积，从而增强高清晰度蓝光幅度，并显示出明亮的蓝色金属纹理。
根据这一特点，可以混合两种具有不同热收缩率的聚酯切片进行熔融纺丝。
通过整个热处理过程，纤维束将具有类似的间隙结构，从而达到仿生技术的实际效果。
一些研究人员使用变色龙的褪色原理作为原型来制造褪色纤维。
根据光敏褪色化学物质的添加，他们将其与聚丙烯切割成薄片，充分混合，然后熔化并旋转以产生纤维，以实现视觉冲击变化。
通常，这种视觉仿生技术纤维用于具有特殊颜色设计方案的服装，如高端时装、军事服装等。
1.2功能表现———以实际作用效果为主中空纤维应基于小动物血管膜的管状形状。
研究表明，这种结构可以储存空气和动能，合理减少热量损失。
在这一阶段，生产方法主要是通过化学方法或物理模塑方法生产孔眼结构。
它生产的纤维触感蓬松，具有很好的透气性，因此通常用于床上用品和衣物填充。
北极熊的毛发具有很好的透气性和疏水性。
科学研究数据显示，小北极熊的每一根毛发都有一个内腔结构，气体被密封在内腔中，减少了热量损失。
它的毛发由许多毛发和绒毛组成，浓密的毛发具有疏水性。
仿生学在服装设计的运用
仿生学在服装设计的运用一、仿生服装设计的理念1.安全理念仿生服装的设计中安全因素应考虑两个方面：一方面是在具有担忧全因素的环境中起到安全警示作用。
如海洋救生衣的颜色选择通常比较醒目，多为橙色和红色。
其选择这类颜色的主要缘由是红色与橙色在可见光谱中波长较长，明度偏亮，易被感知和觉察。
同时，鲨鱼对橙红色较为敏感，不易靠近，起到了爱惜落水者安全的作用。
另一方面是将安全的理念设计到服饰之中。
在自然界中有一种蝴蝶名叫荧光仪凤蝶，在阳光下，它的翅膀颜色时而娇翠欲滴，时而发出金黄色的光芒，时而由高贵的紫变成亮丽的蓝，就是这样的变色蝶，在花丛中偏偏起舞却不易被觉察。
这种秀丽的蝴蝶带给昆虫学家无限的灵感。
用此原理，迷彩服应运而生，大大缩减了在战争过程中的伤亡人数，起到了安全防护的效果。
2.健康理念人体总是持续不断地与外界进行着热量交换。
外界环境大跨度地转变对人类自身健康构成了确定的威胁。
尤其对于在早晚温差大、天气改变莫测的地方，适时地增减衣物就变得尤为重要。
可这也给日常的生产生活带来了些许麻烦。
英国商量人员就“服装怎样自动适应天气转变”研发出一种奇异的布料。
此种布料仿照“松球原理”，松树在繁殖季节，其松球能自动打开其鳞片状的孢子叶，孢子叶则会随着外界环境相对湿度的转变发生角度的移动，即种子枯干，孢子叶张开；种子潮湿，孢子叶闭合。
此种布料制成的衣服可以保持服装内微气候恒定，具有排湿、保暖、保障等多种功能，使穿着者更舒适，同时也削减服装对人体的影响，提高工作效率，有利于健康。
3.舒适理念随着人们生活品质的提升，服装舒适与否日益成为消费者选择服装的主要考虑因素，然而服装对人体造成的压力，是衡量服装舒适度中最无法被忽视的元素。
中国古代服装的袖子与衣身是相连的，中间没有袖窿缝将其划分开，假如张开手臂，袖子悬垂尽露美感，但将手臂放在身体两侧时，会使面料积累在腋下，不利于与外界产生热量交换，很不舒适。
现代服装量体裁衣，袖片与衣片分开裁剪，对于有袖的现代服，抬手时易拉伸衣服使之变形产生张力，压迫手臂，造成不舒适的感觉。
仿生原理在纺织领域的应用
仿生原理在纺织领域的应用1. 介绍仿生学是一门研究生物学与工程学相结合的学科，通过借鉴生物系统的结构和功能，来设计和改进人造产品和技术。
纺织领域是一个广泛应用仿生原理的领域之一。
本文将介绍仿生原理在纺织领域的应用及其优势。
2. 基于仿生原理的纺织材料设计•莲叶纳米纹理纺织材料：莲叶表面的纳米纹理可以让水珠迅速滚落，这种特性被应用于纺织材料的表面设计，使其具有防水性能和自清洁能力。
•鱼鳞纹理纺织材料：仿照鱼鳞的表面结构设计纺织材料，可以减少摩擦力和抗菌能力，同时增加材料的柔韧性和耐磨性。
3. 基于仿生原理的纺织结构设计•蜘蛛丝纺织结构：蜘蛛丝的结构拥有良好的力学性能，可以通过仿生原理设计纺织结构，提高纺织品的强度和韧性。
•鸟羽翅膀纺织结构：鸟羽翅膀的结构可以在飞行中提供稳定和减少阻力的作用，可以通过仿生原理设计纺织结构，改善纺织品的空气透气性和舒适性。
4. 基于仿生原理的纺织染色技术•蝶翅染色技术：仿照蝶翅的颜色和纹理，可以通过仿生原理设计纺织染色技术，实现多色染色效果和纹理变化。
•鱼鳞染色技术：仿照鱼鳞的颜色和纹理，可以通过仿生原理设计纺织染色技术，实现颜色渐变和纹理效果。
5. 基于仿生原理的纺织制造工艺改进•蜘蛛丝制造工艺：借鉴蜘蛛丝的制造过程，可以改进纺织制造工艺，提高生产效率和产品质量。
•莲花纤维织造工艺：仿照莲花纤维的织造工艺，可以改进纺织制造工艺，实现高效、低能耗的生产。
6. 仿生原理在纺织领域的优势•功能性提升：仿生原理的应用可以赋予纺织品更多的功能，如防水、防污、抗菌等。
•环保可持续：仿生原理的设计思路可以提高纺织品的生产效率和可持续性，降低对环境的影响。
•创新性突破：仿生原理的应用促进了纺织技术的创新，推动了纺织行业的发展和进步。
7. 总结仿生原理在纺织领域的广泛应用，使得纺织品在功能、结构、染色技术和制造工艺方面都有了突破性的改进。
通过借鉴生物系统的设计原则，纺织品的性能得到了提升，同时也促进了纺织行业的可持续发展。
技术进展与创新掌握纺织服饰行业最新的技术趋势与创新应用
技术进展与创新掌握纺织服饰行业最新的技术趋势与创新应用随着科技的不断发展，纺织服饰行业也在迅速变化。
新技术的涌现，不仅为纺织品的生产提供了更高效率和更广泛的选择，还创造了许多新的创新应用。
本文将介绍纺织服饰行业当前的技术进展和创新应用，并探讨其对行业的影响。
一、智能纺织品智能纺织品作为纺织服饰行业的一项重要创新，融合了传感器技术和电子学。
它们可以感知身体的姿势、温度、湿度等参数，并根据这些参数调整纺织品功能。
例如，智能纺织品可以根据环境温度自动调节保暖效果，或者根据身体姿势提供支撑力。
这些功能使得智能纺织品在户外运动、医疗保健和舒适性方面有了广泛的应用。
二、仿生纺织品仿生纺织品是一种模仿自然界的生物结构和功能的创新产品。
通过模仿植物的叶片结构或动物的皮肤纹理，纺织品可以具有更好的透气性、拉伸性和耐磨性等优点。
此外，仿生纺织品还可以根据外界环境自动调整其颜色和透明度，提供更多样化的设计选择。
仿生纺织品已经在户外运动、服装设计和建筑领域得到广泛应用。
三、可持续纺织技术面对资源短缺和环境污染等问题，可持续纺织技术成为纺织服饰行业的重要发展方向。
可持续纺织技术包括环保纺纱、再生纤维和可降解材料等。
例如，环保纺纱技术使用更少的水和能源，减少了对环境的负面影响；再生纤维技术将废弃纺织品转化为新纤维，提高了资源的利用效率；可降解材料可以降低纺织品对环境的污染。
这些技术的应用使得纺织服饰行业更加可持续和环保。
四、3D打印技术3D打印技术为纺织服饰行业带来了全新的生产模式。
传统的服装生产通常需要大量的人工操作和裁剪，而3D打印技术可以将整个服装一次性打印出来。
这不仅提高了生产效率，还可以根据消费者的个体尺寸和需求进行定制。
此外，3D打印技术还可以实现设计上的自由度，创造出更多样化和创意的服装产品。
在掌握了纺织服饰行业最新的技术趋势和创新应用之后，行业从业者可以更好地把握市场需求和消费者的偏好。
技术进步带来的高效率和创新应用让纺织服饰行业更具竞争力，并为消费者提供更多样化和个性化的选择。
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层压结构纱 示意图
PET与Ny层压结构纱纺丝示意图
光显色纤维截面电镜照片
• 模仿植物叶子呼吸原理开发的有呼吸功 能的纺织品
保护细胞
孔
气孔
植物叶子气孔结构
弹性气室
泵吸作用
微 气 候 皮 肤
Stomatex作用示意图
• 仿鲨鱼皮织物
鲨鱼皮肤表面denticles鳞片结构 Fastskin™游泳服所用织物
• 模仿蝴蝶翅膀的结构开发的光显色纤维 （结构生色纤维） 闪蛱蝶
Morpho didius闪蛱蝶
Morpho didius翅瓣结构电镜照片
入射光 干射
0.54μm
0.16μm
薄片
翼鳞粉
1.8μm 1.7μm
0.08μm 0.14μm
0.70μm
横肋 支撑细条
0.12μm
翅瓣截面结构图
• 显色纤维Morphotex
Microft®<Rectas>®结构
100
Microft.<Rectas>
拒水性 喷淋法
80 60 40 20 0 0 5 10 15 洗涤次数 20 25 30
高密度棉织物
普通高密度透湿 拒水织物 耐纶塔夫绸
MicroftR <Rectas>拒水性的耐洗性
项目 面密度/（g/m2） 撕破强力/kg 拒水性
NanospereTM 织物的拒水防污功能
仿生纺织品的发展前景
• 仿生学作为生物学和技术学相结合的学 科，旨在技术方面模仿自然界生物体的 功能，在生物学和技术之间架起一座桥 梁，通过生物学原理的再现，寻找解决 技术问题的方案。随着仿生技术、纳米 技术等高新技术和纺织技术的融合，为 仿生纺织品的开发提供了全新的途径， 有极为广阔的发展前景。
仿松果的智能纺织品
• 纳米技术的应用 拒水、防污自洁织物NanosphereTM
无Nanosphere结构的织物表面
Nanosphere结构的织物表面
NanospereTM 织物表面结构
Nanosphere 结构织物表 面滴 水 尘土
Nanosphere 结构织物表面，尘 土粘附于水滴上
水滴滚落时，尘土也随之冲去
超微坑纤维的表面微细凹凸结构
• 模仿荷叶表面凹凸粗糙结构开发的超拒 水织物 • 荷叶效应
荷叶表面的微观结构
水滴在荷叶表面形成滚动的小球
荷叶表面尘土随水滴一起滚落去除
水溶性胶水也能从荷叶表面滚落
荷叶表面上的油性污垢也能被水滴洗除
疏水粗糙表面和光滑表面除尘方式比较示意图
• 超拒水织物Microft-Lotus
Fastskin™织物工作原理示意图
• 仿蜘蛛丝的研究
六喷丝孔
四喷丝孔
喷丝套管
蜘蛛丝的性能：
(1) 丝细强度高、柔韧性弹性好、耐冲击力强。 Nephila Clavipes 热带蜘蛛丝 直径：0.74~1.16dtex；强度（6.4~8.2）N/dtex (2) 耐低温：-40 ℃仍有弹性。 (3) 生物可降解。
指标 135 2.5 L0=100 L20=90
备注 JISL 1096 JISL 1096(摆锤法) JISL 喷淋法
拒水性（滚动角）/° 耐水压/mm 透气性/[cm3/(cm2· s)] 透湿性/[g/(m2· 24h)]
L0=7 L20=9 600-700 0.5 ≥8000
帝人法 JISL 1079（低水压法） JISL 1079 JISL （杯子法）
仿生纺织品的设计与应用
天津工业大学 纺织学院 顾振亚
什么是仿生学
• 从生物体优异的功能中得到启迪，通过 模仿生物体的结构、形态、功能和行为 或从中得到启示来设计和制备智能材料 以解决所面临的技术问题的认知方法， 即为“仿生”。 • 仿生学是“模仿生物的科学”。
仿生纺织品的研究开发
• 基于仿生的思路，模仿生物体的结构和 特性，对纺织品进行仿生设计，制备具 有生物体特殊功能（智能）的纺织品， 称为“仿生纺织品”。
谢
谢
2006.12
仿生纺织品研究开发举例
• 模仿蛾的角膜结构开发的超微坑纤维 • 模仿荷叶表面凹凸粗糙结构开发的超拒水织物 • 模仿蝴蝶翅膀的结构开发的光显色纤维（结构 生色纤维） • 模仿植物叶子呼吸原理开发的有呼吸功能的纺 织品 • 仿鲨鱼皮织物 • 仿蜘蛛丝的研究
蛾眼睛角膜表面防反射层结构
可见光与纤维的作用方式
蜘蛛丝蛋白的合成
蜘蛛蛋白丝产生的三种途径： () 利用动物（奶牛或奶羊）来生产蜘蛛蛋白; (2) 利用微生物来生产蜘蛛蛋白； (3) 利用植物来生产蜘蛛蛋白。
仿生纺织品的设计思路
• 仿生智能纺织品
• 纳米技术的应用
• 仿生智能纺织品 利用人工材料模仿自然界生物体的结 构和性能来设计纺织品，使纺织品获得 由这些结构带来的“功能”，即为仿生 智能纺织品。