综述：在纺织品中应用工程结构仿生学：迈向智能与可持续的系统

刘乐乐|史志成|董志佳|薛有松|陈凤翔|徐伟林|马丕波

中国江南大学纺织科学与工程学院，教育部针织技术工程研究中心，无锡214122

摘要

对高性能纺织品的需求推动了一场从传统加工向仿生设计的范式转变。早期的仿生方法仅限于表面层面的模仿，存在耐久性差、可扩展性和多功能性不足的问题。本文为结构仿生学提供了一个框架，认为真正的创新不在于复制自然的形式，而在于将其结构原理转化为纺织制造。我们系统地将自然的设计库分解为四种基本元素：表面拓扑（莲花叶、鲨鱼皮）、纤维结构（蜘蛛丝、北极熊毛皮）、多层梯度（珍珠母、螳螂虾的螯肢）和适应性形态（壁虎的刚毛、松果鳞片），并阐明了它们的结构-功能机制。随后，我们批判性地评估了一维纤维和二维织物的先进制造策略。最后，我们指出了关键挑战，包括多尺度结构控制、可扩展性、耐久性和可持续性，并规划了未来的发展方向，包括基于人工智能的设计、智能响应织物、闭环循环利用以及人机融合。本文为理解仿生纺织品中的结构-功能关系提供了系统框架，将这一领域置于前沿位置，使纺织品从被动基底发展成为能够感知、适应、通信和收集能量的主动智能界面，同时体现了循环设计理念。

引言

仿生学是一门通过解析生物体的结构和功能原理来激发技术创新的科学，自诞生以来就与纺织技术密不可分[1]，[2]。早期的人类通过观察植物纤维和动物毛皮，开创了纺纱和编织技术，为文明奠定了基础[3]。然而，几个世纪以来，将生物智慧转化为纺织品的进程主要依赖于手工技艺。在现代，这种转化主要通过化学和表面工程实现，例如涂层、接枝和沉积，以赋予传统纤维疏水性或抗菌等仿生功能[4]，[5]。虽然这些方法在短期内有效，但它们从根本上受到表面模仿的限制：涂层容易脱落，功能单一且与材料整体分离，而且这些过程往往难以实现可扩展性、环境兼容性和成本效益[6]，[7]。它们为纺织品添加了特性，但未能改变纺织品的本质。

这一持续的瓶颈表明需要一种范式转变：从表面模仿转向结构仿生学。这种转变重新定义了纺织工程的设计理念，从“向材料添加功能”转变为“将功能设计到材料结构中”。自然界并不是简单地给其创造物涂上一层外衣；它是从底层构建这些结构的。生物材料的非凡特性，如螳螂虾螯肢的抗冲击性、北极熊毛皮的热绝缘性、蜘蛛丝的强度和韧性平衡，并非仅仅是表面现象。这些特性源自从分子到宏观层面无缝整合的层次化、多尺度结构设计[8]，[9]。正是这种结构，包括纤维的精确排列、孔隙率梯度、分层界面，决定了材料的性能。这一基本见解是我们综述的基石。

因此，本文倡导摆脱传统的纺织加工方式，转向工程哲学。我们将纺织结构仿生学定义为从生物模型中系统提取结构原理，并使用纺织技术独特的材料系统和工艺语言对其进行忠实重建。这不仅仅是复制自然的外观，而是捕捉其逻辑。它涉及在创造的每个阶段嵌入仿生原理：从纤维横截面和轴向形态的设计，到具有定制捻度和拓扑结构的纱线组装，再到通过编织、针织、编造和非织造工艺构建二维（2D）和三维（3D）织物结构[10]。这种整体的、多尺度的方法确保了功能性不是附加的层次，而是材料系统本身固有的、持久的属性。至关重要的是，这种结构范式开启了纺织品从被动材料向主动集成系统演变的潜力。通过精确设计其内部结构，我们可以赋予它们一系列高性能属性：前所未有的强度和韧性组合以提供保护，适应性界面特性以实现生物相容性或减少阻力，智能响应性以实现感知和能量收集，以及优化的热管理和湿度管理，从而带来前所未有的舒适度[11]，[12]。这些特性的融合是通往最终前沿的途径：创造智能和可持续的系统。图1概述并分类了结构仿生纺织品材料，作为本综述的总体介绍。该图系统地分类了仿生纤维和各种织物结构，以及它们的代表性特征和应用。未来的纺织品将不仅仅是穿着物；它们将能够感知、适应、通信和收集能量，所有这些都将采用可生物降解或生物衍生的组件，实现循环生命周期设计。

Elsevier. 版权2025，美国化学学会。智能特性[25]，[26]。版权2025，Wiley。版权2023，Wiley。热舒适性和湿度舒适性[27]，[28]，[29]。版权2023，美国化学学会。版权2025，Wiley。

本文旨在全面而批判性地总结这一快速发展的领域。我们首先系统地分类了自然界提供的结构元素，从植物表面的微观/纳米拓扑到动物的纤维结构、分层结构和抗冲击优化结构。然后，我们深入探讨了将这些蓝图转化为现实的先进制造策略，详细介绍了1D纤维和2D织物的工程设计。随后，我们展示了这些工程结构在机械、界面、智能和热生理学领域的卓越性能，强调了它们的变革性应用。最后，我们面对挑战并概述了未来的发展方向，讨论了多功能集成、人工智能驱动的设计、绿色制造和可扩展生产所需的协同进化，以实现真正智能和可持续的纺织系统愿景。

章节摘录

解构自然的设计库：仿生结构元素的分类

经过数十亿年的进化，自然界发展出了一套有限但极其多样的结构设计元素，赋予了生物体显著的多功能性[30]，[31]，[32]。这些不是随机形状，而是针对基本工程挑战的优化架构解决方案：粘附、排斥、绝缘、感知和保护。对于纺织工程师来说，这个生物库提供了一个系统的“设计库”，可以从中提取核心原理。

设计结构蓝图：从1D纤维到2D织物结构

将自然的结构蓝图从表面拓扑和纤维结构转化为多层梯度和适应性形态，再转化为实际的纺织材料，需要一套复杂的工程工具箱。纺织材料本身就具有从聚合物的分子组织到织物宏观结构的固有多尺度结构特性。这种层次化特性使它们特别适合仿生设计，因为

超越性能极限：从结构卓越到新兴应用

结构仿生纺织品已成为前沿研究焦点，因为它们从根本上克服了传统纺织品性能优化的局限性。图9展示了仿生纺织品相对于传统材料的性能突破。通过模仿生物体内的复杂多尺度结构，这些材料在轻量化高强度、界面性能、高效能量存储和舒适性方面取得了突破。

持续挑战：从多尺度控制到可持续生命周期

本文系统地追溯了仿生纺织品的进化发展，从表面模仿转向结构仿生学，其中层次化结构而非化学涂层成为材料功能的主要决定因素。通过从四个基本元素（表面拓扑、纤维结构、多层梯度系统和适应性形态）解构自然的设计库，

CRediT作者贡献声明

徐伟林：监督、资金获取、概念化。陈凤翔：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。马丕波：监督、资金获取、概念化。史志成：撰写——初稿、方法论、研究。刘乐乐：撰写——初稿、方法论、研究。薛有松：验证、方法论、研究。董志佳：验证、方法论、研究。

利益冲突声明

我们声明本文尚未在其他地方部分或全部发表，也没有被其他期刊考虑。所有作者均已批准本文，并同意将其提交给贵期刊。不存在需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52373058、52573090、11972172、U21A2095、52533017）、湖北省科学技术厅（编号：2025CSA001、2024CSA076）、湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队（编号：T2024010）、湖北省自然科学基金创新团队计划（编号：2023AFA027）和重大基础研究的财政支持。

陈凤翔目前是武汉纺织大学纺织新材料与先进加工国家重点实验室的教授。他的主要研究领域包括先进纤维材料、结构色以及废弃纺织物的高价值利用，在《Science Advances》、《Progress in Materials Science》、《Advanced Functional Materials》、《Materials Today》、《ACS Nano》等期刊上发表了100多篇论文。