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摘要：在生物進化的幾億年中，“優勝劣汰，適者生存”的生物進化選擇出了最適合生存，具有卓越特性和功能的生物結構。大自然的獨特結構給研究開發新型材料提供了思路和借鑒。仿生材料是在模仿生物特性構造和構效關系，建立起來的模仿生物構造或者受生物啟發而制造出來的新型功能材料。文章介紹并且分析了當前仿生材料在建筑學領域的研究進展，并列舉了應用實例。
關鍵詞：仿生材料；大型建筑；發展與應用
1仿生材料的研究進展
受動物、植物、微生物等的啟發創造新工具的歷史由來已久，而仿生的發展史可追溯到遠古時代，在中國古代就有了魯班發明鋸子的神話故事，古人從荷葉中得到了啟發發明了遮雨傘具。仿生材料是借鑒生物體的組織、器官、結構和功能的自適應、自清潔、自感知等功能，經過對生物原型的構造和功用進行剖析抽解，通過數學模擬，用數學方式表達生物的構造進行實物模擬，得到具有生物體原型的獨特功能的產品。仿生材料具有原型生物體的優良特性，并具有廣泛的應用價值，目前常用于建筑、醫學、文物保護、環境保護等領域。
2建筑仿生材料的簡介
建筑仿生學是以某些生物的組織和形態特征為研究對象，對某一結構功能進行處理，形成建筑的結構組成。建筑仿生按照內容主要可以分為：形態仿生、結構仿生、功能仿生和材料仿生4類，其中包含的內容十分豐富。對于科學、綠色、生態、可持續發展理念高度普及的今天，人們越來越重視材料的高性能、低成本、高效率、低污染等，材料仿生領域得到空前的發展，應用前景廣闊。仿生建筑材料是仿照生物軀體的組織、顏色、生態特征等天然生態的法則，結合建筑和環境的特點，研究出高效的材料滿足人們高效率生產、高品質生活的需要。近年來，大量新型建筑材料應運而生，其中許多建筑材料基于生物的組成特征，獲得高強度高韌性等優良性能，創造了巨大的經濟價值。
3建筑仿生材料的應用
大型工程采用混凝土、鋼材、復合材料、智能材料等，對環境中的溫度、濕度、酸堿度等有嚴格要求。以橋梁建筑為例，其基礎材料需要解決以下問題：在長期深水浸泡下保證結構性能，保證全天候運行，保證材料在長期可變荷載下的耐受性，需要滿足突發風暴下的抗剪等強度要求。除了上述性能要求之外，建筑物長期裸露在環境空氣中，面臨著空氣、雨雪、風沙等的影響，以及空氣中的微小顆粒物污染建筑物表面，影響建筑物的外觀，影響人們的使用感受等。仿生建筑材料能夠很好地解決上述建筑結構所面臨的問題。
3.1結構骨架材料
建筑與結構是不可分割的，建筑的形式往往通過建筑結構來體現，除了結構本身作為一種建筑藝術的表達之外，建筑的結構也決定了建筑的受力大小以及分布，進而決定其性能。對于不同高度的建筑來說，需要考慮的因素也略有差異，高層建筑需要更加穩定的地基，對于墻體材料的強度和韌性也有更高的要求。仿生結構骨架材料有更合理的內部力，更高的強度和韌性以及自我記憶修復能力等優勢，現已在各類建筑范圍得到應用。在現有的建筑體系中，常常能夠發現骨架結構，這些結構猶如生物體的骨骼，由結構形態到內部靜力平衡。在自然這偉大的造物主所創造的生物結構往往比人類高明許多，在這些生物體上進行學習、深入研究模仿進而創造出更加優良的材料為人類所用，豐富建筑的功能，彌補傳統建筑的缺陷。人們受到木材的優良韌性、輕質高彈的啟發，研制出大量的纖維材料。美國、澳大利亞、印度、日本均在相關領域取得了卓越的成效。在我國，劉林研究了天然絲瓜絡材料的緩沖性能，建立了絲瓜絡仿生模型，并完成制備。洪梓榕設計了一種五自由度的仿生機械臂。借鑒骨骼的自我修復，自我愈合能力，賓夕法尼亞大學提出了修復金屬的方法，此方法制備的金屬材料能夠在室溫下短時間內復原，且修復后獲得更高的強度性能。以上方法為獲得更加高效的仿生建筑結構材料提供了參考。
3.2填充材料
建筑的發展對于墻體填充材料提出了：節能環保，保溫隔音，輕質高強等新要求。研究者從蜜蜂的蜂巢中獲得靈感，制造出具有隔熱隔音又輕質美觀的蜂窩泡沫混凝土等。陳建波等開發出以皂粉、界面劑N等為主要組分的復合發泡劑，通過發泡劑的作用，使得混凝土內部產生微小空隙，得到密度不同的蜂窩混凝土砌塊，并增強其防火性能。
3.3表面涂覆材料
水工建筑作為建筑行業的重要部分，在發展國民經濟和防治水災水患等方面發揮了巨大的作用。擋水建筑物是水工建筑物的一部分，其提高了上游水面的高度，形成巨大的水頭壓力，水流會對擋水建筑物造成巨大的滲透壓力，逐漸侵蝕擋水建筑物，影響其安全性和功能。滲漏是水工建筑物如壩、閘和堤防等所面臨的影響其安全穩定性的最大方面，如今國內外經常使用的防滲施工技術有高壓灌漿堵漏技術和促凝灰漿堵漏技術等。這些措施雖然在一定時期針對一定水土條件，能夠起到一定的防滲效果，但技術和施工要求較高，且耐久性相對不足。通過使用仿生超疏水材料，水工建筑物的抗凍耐寒性能將會得到顯著提高，抗污性能且能夠減少水流粘滯造成的水力損失。
3.3.1仿生超疏水材料
的機理超疏水材料的普遍定義是表面水接觸角度＞150°的材料。疏水性能的表現為不浸潤性，影響固體表面潤濕性的因素主要有：首先是表面的能量，如自由能；其次是表面的微觀結構。
3.3.2仿生超疏水材料的制備方法
相關的制備思路主要有：一是利用各種物理化學方法，提升疏水物質表面的粗糙度；二是通過涂覆物質或著化學接枝降低粗糙的表面的自由能，如等離子體接枝等技術。吉海燕等采用刻蝕法制得了超疏水性的玻璃，王志博通過對SiO2進行氟化，增強其耐凍性能，該研究可以用在水工建筑物的表面以提升整體抗凍性能。馬衍軒等發明了水利工程的劣化免疫仿生防護涂層及其制備方法，從物理和化學2個方面保障混凝土。李治軍提出在寒區土石壩中的土工膜上構建微納米仿生超疏水面，將仿生超疏水層放置在平整層之后，可以克服仿生超疏水層的耐久性不良的問題。
4未來展望
建筑仿生材料的實驗研究中提出的設計思想不斷充實，基本理論不斷完善，但由于仿生建筑材料的大部分研究還處于在實驗室階段，由實驗室向工廠生產仍有許多問題需要解決。如何提高其耐久性也是接下來需要研究的一個重點。仿生建筑材料的制備及應用正進行一場空前未有的變革。
作者：張天琪 單位：四川農業大學 水利水電學院