大自然给予的启发_木材仿生科学刍议_李坚大自然给予的启发_木材仿生科学刍议_李坚.pdf

大自然给予的启发 ——木材仿生科学刍议 李 坚，孙庆丰 （东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040） [摘要] 本文有针对性地列举了自然界某些生物体所固有的智能行为和独特的自然属性；由自然现象给予 的启发，阐述了构建木材仿生科学的理论基础；提出了依据生物学原理和现代技术，赋予木材奇异功能或 创生新型复合材料的发展空间。 [关键词] 木材；仿生科学；超疏水；气凝胶；智能；界面 [中图分类号] S781 ；TB332 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742(2014)04-0004-09 生结构的智能木材或复合材料，解决木材资源不足 1 前言 和使用中的种种限制，实现木材的自增值性、自修 自然界的生物体经过数十亿年的物竞天择、优 复性、自诊断性、自学习性和环境适应性，使得木材 胜劣汰，其结构与功能已趋完美，实现了宏观性能 从更高的技术层次上为人类的文明进步服务。 [1] 和微观结构的有机统一 。从大自然给予的启发， 2 仿生学概要 向自然界学习，模仿自然界生物体功能的某一方 面，构筑相似甚至超越自然生物体功能的新型仿生 人类很早就有了仿生的思想。《韩非子》曾记载 材料，完成智能操纵过程，进而获得高效、低能耗、 古代工匠用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”，这可 环境和谐且快速智能应变的新材料及其新性质，研 以认为是人类仿生学的先驱，也是仿生学的萌芽。 究和构筑高性能的仿生智能材料是人类发展进程 虽然仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前，但一 [1] 中的一个永恒课题 。 般把1960 年9 月由美国空军航空局在俄亥俄州空 木材是一种天然的有机复合材料，具有结构层 军基地戴通召开的第一次仿生学会议作为仿生学 次分明、构造复杂有序、分级结构鲜明、多孔结构精 正式诞生的标志。仿生学一词最早是由美国人斯 细等特性，同时具有各向异性、低密度、高弹性、机 蒂尔（Jack Ellwood Steele ）取自拉丁文“bio”（生命 械性能优良和来源丰富、可再生、清洁等特点，为木 方式）和词尾“nic”（具有……性质的）合成的，他认 [2] 材仿生奠定了广阔的空间 。木材仿生智能科学与 为：仿生学是研究模仿生物系统方式，或是以具有 应用技术研究是木材科学发展中的一个具有里程 生物系统特征的方式或类似于生物系统的方式建 碑意义的研究领域，它使木材从更微观的层次师法 造技术系统的科学。后来又出现了biomimetics 一 [3] 自然，利用从生物体获得的启示为木材的功能拓展 词，意思是模仿生物 ；近年来bioinspired 一词逐渐 和高值化开发提供新的研究思路，通过构筑具有仿 为研究者们所关注，意为受生物启发而研制的材料 [收稿日期] 2014-01-20 [基金项目] 国家自然科学基金面上项目 [作者简介] 李 坚，1943年出生，男，辽宁阜新市人，中国工程院院士，研究方向为木材功能性改良及生物质基复合材料； E-mail ：nefulijian@ 163.com 4 中国工程科学 [4] 或进行的过程。路甬祥 定义仿生学为：研究生物 色至白中带黄，长为2~4 cm。棉花纤维是唯一的天 系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为 然纯净纤维素材料，纤维