综述：生物图案与纹理：从形成机制到仿生应用

生物结构通过长期进化形成复杂图案和纹理，兼具机械性能优势与环境适应功能。本文系统探讨其形成机制（如表面屈曲、反应扩散过程）、进化原理（环境选择压力、遗传漂移等），总结多尺度表征、计算建模、人工智能等先进分析技术，并分析在功能表面、软体机器人、生物医学工程等领域的应用案例，最后提出跨学科合作和未来研究方向。

林森|杜泽荣|方旭|李光耀|谢一敏

中国湖南大学机械与车辆工程学院车辆先进设计与制造技术国家重点实验室，长沙410082

摘要

通过长期的进化过程，生物结构发展出了高度复杂的图案和纹理。这些配置不仅赋予了生物体卓越的机械性能，还显著增强了它们在多种环境中的功能适应性。本文系统地探讨了各种生物图案和纹理的形成机制、进化原理、先进的分析技术及其工业应用，旨在为该领域建立一个全面的理论框架，并激发仿生材料和设备的创新设计。在形成机制方面，重点关注了表面屈曲现象、反应-扩散过程和物质循环等生物力学驱动的过程。关于进化原理，分析了环境选择压力、基因漂变和生物约束在生物形态自组织中的作用。在分析和制造技术方面，总结了多尺度表征、计算建模、人工智能以及用于解码和复制图案结构的高级制造技术的最新进展。通过功能表面、软体机器人和生物医学工程中的成功案例，展示了工业应用。最后，本文概述了未来的研究方向，并强调了跨学科合作在推进仿生创新中的关键重要性。

引言

纹理和叶脉图案通常指的是生物体在宏观、微观甚至纳米尺度上展示的规则或半规则的空间结构特征（Meyers等人，2008年）。这些图案并非随机产生，而是由遗传调控（Sheth等人，2012年）、物理约束（Shyer等人，2013年）和环境适应（Cuthill等人，2005年）在长期进化过程中的相互作用所塑造的优雅配置。在植物界，多种落叶阔叶植物的叶脉常展现出典型的二叉或网状图案（Scarpella，2024年）。在动物界，章鱼的皮肤可以通过可重构的微纹理实现动态光学伪装（Montague，2023年）。类似的结构特征广泛存在于生物组织中——从蝴蝶翅膀的光子晶体结构（Vukusic和Sambles，2003年）到哺乳动物的皮肤图案（Caro和Mallarino，2020年）——构成了自然界中最普遍和多样的图形语言形式之一。

纹理结构的基本价值在于它们能够赋予生物体卓越的机械性能和专门的界面功能。在机械增强方面，分层架构和复合拓扑结构可以巧妙地将脆弱的组件转化为坚固的块状材料。例如，在核桃和其他坚果壳中，细小的板状单元和沟槽通过互锁和阻尼机制显著提高了抗冲击性（Chou等人，2025年）。在界面功能方面，微纳米级纹理构成了许多功能性表面的基础。一个典型的例子是章鱼的吸盘，其中结构内的微米级球形突起增强了吸盘的界面粘附力。进一步测试证实，具有这种球形突起的吸盘在干燥和湿润条件下都能可靠地工作（Baik等人，2017年）。此外，超疏水性（例如莲叶效应）（Yamamoto等人，2015年）和减阻性（例如鲨鱼皮肤的齿状结构）（Dai等人，2019年）等特性也源于精细的纹理或阵列表面图案，这些特性提高了生物体在静态和动态环境中的生存效率。

基于其复杂的架构，生物纹理展现了超出结构作用范围的多种功能。在光学领域，变色龙的皮肤包含两层嵌入了纳米级光子晶体（如鸟嘌呤晶体）的虹彩细胞，其晶格间距可以通过神经调节。在放松状态下，紧密排列的晶体反射蓝光，而激发则导致结构膨胀，使反射率向黄/红色波长转变。这种结构颜色变化可以在20秒内完成，无需依赖色素（Teyssier等人，2015年）。在环境感知方面，裂隙感觉器是分布在蛛形动物体表的机械感受器，尤其是在腿的髋节-转子关节附近集中。聚集的裂隙感觉器，称为 lyriform 器官，作为机械感觉系统的核心组成部分，通过检测压力和振动，使蜘蛛能够感知气流和网上的振动（Zhang等人，2023年）。乌贼拥有数百万个受神经控制的色素囊——弹性囊。周围放射状肌肉的收缩迅速将每个囊膨胀成宏观的彩色点，而放松则使其在显微镜下不可见。数百万个这样的红色、黄色和棕色色素囊的协调作用产生了动态的皮肤图案，形成用于求偶、伪装和交流的视觉像素（Wardill等人，2012年）。在能量收集方面，叶子中的精细分层叶脉网络不仅提供了机械支撑，还优化了水和养分的传输效率，从而维持了作为关键能量转换过程的高光合作用效率（Guo等人，2025年）。

近年来，生物纹理的应用展示了显著的潜力，其目标不仅仅是复制结构，还包括解码其背后的形成机制并将其转化为高度可控的功能组件（Bayat等人，2025年）。例如，受生物运输网络的启发，科学家们将仿生微通道冷却系统集成到了高功率电子设备中。通过在这些嵌入式网络中循环温度调节的冷却液，可以有效地散发局部热量，防止关键电子元件过热（Lin等人，2025b）。在智能传感领域，模仿人类指尖机械感受器的触觉传感器能够同时检测静态压力和高频振动。当与人工智能结合时，这些传感器可以准确区分21种不同类型的织物（Zheng等人，2025年）。然而，该领域仍面临多个挑战：在机制层面，我们对多物理场耦合下纹理形成和功能实现的理解仍然不完整（Y. Li等人，2025年）。在多尺度表征方面，对微观尺度物理特性的非破坏性、原位和动态监测仍然是一个重大障碍（Sanz-Herrera等人，2025年）。从技术转化的角度来看，低成本制造动态可调且功能可控的仿生结构——同时保证稳定性和耐用性——是阻碍生物纹理智能和可扩展应用的关键瓶颈（Ou等人，2025年）。

与机械超材料不同，生物纹理也关注“结构-性能”关系，但在设计原则、性能目标和制造方法上存在根本差异，同时表现出明显的互补性。在设计方面，生物纹理源自自然的进化自组织机制（如反应-扩散），旨在实现多种环境下的帕累托最优；机械超材料则通过正向/反向算法（拓扑优化、均匀化理论）实现目标性能定制（Gao等人，2023年）。在性能方面，生物纹理关注界面功能（如粘附和减阻）和环境响应性，而机械超材料强调机械性能的极端优化和适应恶劣环境；机械-生物超材料已经整合了生物相容性要求（Wu等人，2023年）。在制造方面，两者都依赖于增材制造，但生物纹理强调自然结构的复制，而机械超材料则关注设计-制造一体化（H. Wang等人，2026年）。这种交叉使得生物纹理的多功能机制能够启发机械超材料克服单一性能瓶颈的限制，而机械超材料的精确设计方法则解决了复制生物纹理时的性能控制挑战，推动了跨学科创新（Wei等人，2024年）。

本文旨在系统地概述生物纹理的最新进展，从基础研究到仿生应用，并为未来的研究方向提供前瞻性视角。第2节深入探讨了生物纹理形成的内在机制，包括表面不稳定性、反应-扩散系统、物质循环和协同效应。第3节分析了塑造这些结构模式的进化驱动力和自然选择压力。第4节介绍了用于解码和复制生物纹理的先进表征技术和制造方法，如纳米压痕和立体光刻（SLA）。第5节全面展示了生物纹理在各个领域的成功应用案例，包括功能表面、软体机器人、生物医学工程和可持续技术。最后，第6节讨论了该领域目前面临的主要挑战，并概述了未来跨学科发展的战略机会。希望本文能为研究人员提供一个清晰的概念框架，并激发在机制探索和仿生应用方面的进一步创新。

部分摘录

表面屈曲

许多生物表面纹理源于屈曲，这是一种由系统内部或外部压缩应力释放和重新分布引起的弹性应变能导致的不稳定现象。当生物层压材料（如皮肤或坚果壳）在生长或环境变化过程中受到超过临界阈值的压缩应力时，它们最初平坦的表面会失去稳定性，自发形成复杂的图案，如皱纹、波纹或凹陷（Yu等人，2025年）

动机和目标

在解决这类仿生纹理的逆向设计和优化问题时，基于梯度的拓扑优化算法（如带惩罚的固体各向同性材料（SIMP）方法）在连续介质结构优化中取得了显著成功（Zhang等人，2021年）。然而，它们的适用性受到可微分目标函数和约束条件的严重限制。这些方法在面对高度复杂的情况时往往表现出局限性

多尺度成像

对生物表面纹理的研究始于对其地形特征的精确表征。当研究旨在阐明控制表面功能的三维微纳米拓扑结构时，光学显微镜往往不够用，需要使用扫描电子显微镜（SEM）。例如，要理解莲叶的超疏水机制，需要清晰观察微米级乳突的排列

功能表面

通过先进的微纳制造技术，可以复制仿生纹理以创建具有特殊功能的人造表面。关键的是，这些功能背后的原理，如控制摩擦、粘附性和润湿性，可以转移到生物医学和机械工程领域。这些功能表面在智能纺织品、能源和海洋工程等多个领域展现出显著的应用潜力

挑战与前景

尽管在仿生图案和纹理的研究方面取得了显著进展，但在将基础研究转化为工业应用方面仍存在重大挑战。首先，对机制的理解需要进一步深化。目前对纹理形成机制的了解主要是定性的或半定量的，特别是对于涉及多物理场耦合的复杂过程（例如化学-机械-生物相互作用）。

CRediT作者贡献声明

林森：撰写——原始草稿，撰写——审阅与编辑。杜泽荣：撰写——原始草稿。方旭：撰写——原始草稿。李光耀：监督，项目管理。谢一敏：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2022YFB3303400）、湖南省科技创新计划（2023RC3119）和深圳市科技创新计划（KQTD20200820113110016）的财政支持。