文/Glenna B.Musante

译/何帆

(译自AATCCReview,March/April 2014 Vol.14,No.2)

如果仔细观察大自然中的一草一木，你就会发现其中蕴藏着无数精巧的设计，比如：如能够随时改变肤色融入周围环境的动物；非常柔韧却能抵御捕食者的外壳；通过翅膀、毛发、皮肤上的特殊结构折射光线产生颜色；如同微型工厂般纺出世界上最轻盈、强韧纤维的蜘蛛。自然界独特的设计、功能、物质为人类提供了一个巨大的创造力来源的宝库。这些惊人而复杂的系统默默无闻地运行，天衣无缝地与自然相容，且毫无毒害。

仿生学是一个包罗万象的世界，也是纺织学家开始转向这个相对新的领域寻找灵感的原因。仿生学的研究对象是自然，寻找其中的创新设计、建造思路正在变得越来越流行。仿生学变热的同时，也吸引了大量研究资金。

1 自然母亲公司

据毛纺织和化学教授Crisan Popescu说，仿生学是个正在发展的研究领域，但同时也与服装业一样非常古老。

他说，服装最初是用来替代皮毛的，从这个角度来说，仿生学从人类历史开端就有了。现在，于前人研究的基础上，纺织学院正在资助仿生学研究者开发具有高度复杂功能的纺织品。

最为大众熟知的运用仿生学例子是现在服装上使用的魔术贴。1940年代，一位名叫George de Mestral的瑞士工程师牵着宠物犬出门散步，当他们回来时，发现狗身上粘上了许多带小毛刺的针尾草。出于好奇，George仔细查看了这些针尾草，他突然有所领悟，于是就有了非常受欢迎，模仿针尾草原理的Velcro牌钩环结构尼龙搭扣。

也是在1940年代，英国人发明了一种叫做Ven⁃tile的防水织物。它由一种遇水自动膨胀的长绒棉制成。据Popescu教授介绍，二战期间，这种织物曾被用来生产皇家空军军官制服。Ventile一词由法语演变而来，意为通风，因为这种纤维遇水膨胀，因而可以有效阻隔外界的各种元素。

2 回到未来

令人吃惊的同时，这些源于大自然的发明为人类提供了新一代纺织产品，使它们具有众多不可思议的新功能。

其中一个例子是Mincor TX TT——一种由巴斯夫公司（BASF）生产的，用于遮阳篷、船帆、帐篷等具有自清洁功能的纺织涂层。这款产品的发明原型是荷叶上防止水滴与灰尘粘附的细小纳米级突起。拥有这种涂层的织物也具有与荷叶一样的自净功能。

另一个现代运用仿生学设计的例子是一款叫做Morphotex的帝人纤维。据与Inotek公司合作开发这款产品的Veronika Kapsali介绍，Morphotex不需人工染色便可自动显色。他说：“这款产品是基于自然界中结构色的机制设计的，如同大闪蝶翅膀上的亮蓝色，是通过翅膀上细小结构的特定排列将白光中的蓝色光反射而产生的。正因如此，帝人纤维也被称为光显色纤维。”Kapsali称Morphotex是一款神奇的产品，但2005年，它被帝人公司从市场中撤出，因为当时生产商并没有对它产生足够的兴趣。

在过去几年中，美国Schoeller公司从仿生学中获得灵感，开发了多款产品，并成功将其推向市场。Schoeller公司董事长Weinbender说：“大自然中的生物是充满智慧的，动植物经过亿万年的演化经受了自然的挑战，适应了气候变化，获得了能量，保护了自己。”

Schoeller研发实验室开发的仿生产品包括Nanosphere，根据莲叶结构开发的具有自净功能的织物；c-change，一种适应性纺织膜，可根据人体温度及湿度打开、关闭气孔，保持适宜的内部环境，防水防风；solar+，一种纺织新技术，能够吸收太阳光能增强衣物保暖性；ecorepel，由鸭子的羽毛获得灵感研发的“生态防水产品”。

“我们的研发团队一直从自然中获得启发。”Weinbender说，“例如，我们从人类的皮肤入手开发膜技术，还开发了通过锁住空气发生作用的轻型绝缘材料，我们的目标是开发更清洁，安全，多功能的织物，同时产生很少或几乎不产生污染物。”

3 有前景的发展

以上产品都已进入市场，还有一些正在研发中。这些新技术有望为人类提供前景更加广阔，拥有更多功能的新产品。

(1)种出来的羊毛

德国亚琛大学的研究者们正在尝试研发“试管羊毛”，实际上是一种在实验室里长出来的羊毛。“人造肉可以在实验室被生产出来，为什么羊毛不行呢？”Popescu教授说。“羊毛被培养在毛囊中，关键是要测得毛囊的生物能量。换句话说，如果弄清毛囊的工作原理，并能够复制这一过程，生产人造羊毛只是时间问题了。”Popescu教授的团队还在研发一款互动微凝胶，原理与松果类似，可以根据湿度变化张开或闭合。他们研发的最终产品还能根据pH、温度以及光线做出反应。“它可以膨胀、收缩，这是一款可以进行互动的材料。”Popescu教授说。

（2）无毒永久熨平

Mark Dorfman是Biomimicry 3.8咨询公司的科学家，他以研究大自然为生，开发一系列模仿自然界原理、特征、设计的产品。

Dorfman为利慧公司（Levi Strauss&Co）工作，寻找印染剂替代品使其能够为织物保持永久熨平效果。据Dorfman介绍，棉花的标准永久烫平过程中需要将棉花浸泡在甲醛溶液中，使甲醛填充在纤维空隙中，保证熨烫时织物被定型。

“对于穿着者来说，甲醛溶液并不会对他们产生影响。”Dorfman说，但对于生产者，由此产生的污水会带来有毒化学物质。目前，Dorfman及他的同事进行的一项颇具前景的研究正利用仿生学原理为利慧公司开发一种用于织物永久熨平的毒性较小的甲醛溶液替代品。

4 迷人但难以捉摸

大自然为人类带来如此之多的创造灵感，难怪越来越多的科学家们都开始在仿生学领域寻找研究思路。不过，想原样照搬这些大自然的杰作并非易事，有些问题甚至最优秀的科学家也解决不了，其中一项便是关于蜘蛛丝的研究。

(1)人工合成蛛丝

“如果说仿生学设计中有一座难以逾越的珠穆朗玛峰，那非蜘蛛丝莫属。”Weinbender说，“我在Schoeller公司工作了26年，从我刚工作起关于蛛丝的项目就已启动，直到现在仍在进行。它如此强韧、轻盈，到目前为止我们都无法生产出符合蛛丝各项指标的人造丝。”

不过，这个项目的创意还是很吸引人的，它基于蛛丝的“强度与重量比”。蛛丝非常结实，甚至可以用来提供弹道保护，同时它又如此柔软、轻盈，不像通常用于生产军用防弹衣、防弹背心的材料。Weinbender希望将来通过研究能够实现蛛丝商业化量产。虽然在研发和量产人工合成蛛丝上还有许多障碍，Schoeller公司研发实验室仍在坚持这项研究。

同时，世界上其他团队及公司也在从事于这项研究。Popescu说，人工合成蛛丝量产的实现可能会比人们预料的要早。他说：“我们一直在从事这项研究，亚琛大学已经发明了一种利用电纺机生产人工合成蛛丝的方法。”与生活中所见的棉花糖机原理类似，电纺机以各种有机和无机聚合物为原料制造纳米纤维，再纺成合成丝。Popescu说，从1980年代起，人们就开始了这项研究，现在终于研制出了能够推向市场的产品。

Popescu说，静电纺纱能够生产出细至1微米的丝，他们发明的人工合成蛛丝非常轻且强度极高，由角蛋白溶液为原料，直径为600～800纳米。他相信，这样的丝已经可以用来生产既舒适又轻便的防弹材料了。

他们的研究思路已经在实验室得到证实，“现在需要在产品的开发工程上做文章了。”Popescu说，加上批量生产，还需要五年或更短时间。

（2）自愈织物

另一种吸引人却难以捉摸的仿生纺织品是自愈织物。Popescu说科学家们已经开发出一款自愈涂料，现在已经应用在宝马和其他高端汽车上。这款自愈涂料是一种聚氨酯涂料，主要原料是从甲壳动物外壳中提取的壳聚糖。这种壳聚糖形成的化学链与阳光发生反应从而“治愈”划痕。不过，这项发明目前只停留在理论研究阶段。

（3）军用迷彩

军用迷彩是另一项有趣的发明，如同变色龙会随周围环境改变皮肤颜色，军用迷彩也有这样的作用。Popescu说，研究部门已经发明了一些织物能够随环境改变自身特性，包括颜色，但离实现量产还早得很。

他说：“我们已经着手这项研究，可以在实验室中再现变色龙效应，使微凝胶暴露在光下时发生形状改变。但问题是，这种微凝胶能够被应用在涂料中吗？涂料在纺织界是不稳定的。真正能够在各种环境下保持稳定的变色龙纤维至少还需10年时间才能发明出来。”

5 展望

虽然困难重重，世界各地的纺织化学家正在模仿自然界各种神奇的特质，开发一系列产品。科学家们最希望拥有大自然的能力，复制出一个生物系统，在运行时不消耗资源或损害周围环境。

Dorfman教授说，自然界中的一切，例如，每一片叶子都是一座可控、高效的化学工厂，同时又与周围环境和谐共存，它们不断适应环境、自我进化，这是人类应当效仿的。