自然界“軍備競賽”中的材料科學*

焦大，劉增乾②?，張哲峰②??

①中國科學院金屬研究所 材料疲勞與斷裂實驗室，沈陽 110016；②中國科學技術大學 材料科學與工程學院，合肥 230026

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。從石器時代到銅器、鐵器、鋼鐵時代，再到高分子、半導體以及納米時代，材料的每一次變革與突破都極大地推動了人類社會生產力的發展。然而，隨著科技的日益進步，人們對材料性能的需求越來越高，一些傳統的人造材料已經難以滿足現代工業和科技發展的需要，這些問題亟待通過新型高性能材料的研發來解決。作為人類工程技術和思想靈感的源泉，大自然往往能夠給人們帶來無限驚喜與啟迪，這對于材料科學也不例外。

1 大自然——天才的材料設計師與靈感源泉

大自然是天才的材料設計師。自然界中的生物材料是由動植物等生物體采用簡單而且性能并不突出的碳酸鈣、二氧化硅等無機礦物與蛋白質、甲殼素等有機質復合而成的；并且，與人造材料苛刻的制備加工條件(如高溫、高壓等)相比，生物材料的合成往往是在相對溫和的自然條件下通過“自下而上”的自組裝方式實現的[1-3]。盡管如此，天然生物材料往往表現出優異的綜合力學性能與功能特性，其性能甚至可以與經過高度優化的人造材料相媲美，如圖1所示[4]。更令人驚奇的是，很多生物材料即使在沒有新陳代謝的體外條件下也能夠實現自修復以及對外界刺激的響應，并且能夠幫助生物體實現多種功能，同時廢棄后可以自然降解，從而使得生物體利用最少的材料達到對其生存環境的最佳適應。例如，蜘蛛絲是目前已知的最堅韌的纖維材料之一，其質輕而富有彈性，斷裂能遠遠超過高強鋼及制作防彈衣用的Kevlar纖維[5]。據計算，一根鉛筆粗細的蜘蛛絲束甚至能夠承受使一架波音747飛機停下來的拉力。此外，蜘蛛絲還具有信息傳導、反射紫外線等功能。

圖1 天然生物材料優異的力學性能：不同生物材料的(a)比強度(強度與密度之比)和比剛度(楊氏模量與密度之比)以及(b)楊氏模量和斷裂韌性與人造材料的比較[3-4]

大自然是人類的良師。天然生物材料的優異特性主要得益于其經過長期自然選擇與進化而形成的跨尺度、多層級組織結構，而這種巧妙設計能夠為實現人造材料的性能優化提供有益的啟示。從材料學、力學等角度揭示典型天然生物材料的組織結構，澄清賦予其優異性能的關鍵機理，進而提煉出天然與人造材料體系共性的優化設計原則，有望從仿生角度為改善人造材料的力學性能提供重要的指導。通過模仿天然生物材料的宏觀形態與微觀組織結構開發新型的仿生材料已成為進一步改善人造材料性能的有效途徑。例如，Munch等[6]采用冰模板法制備了具有類似貝殼微觀結構的氧化鋁陶瓷-有機玻璃復合材料，該材料具有優異的強度和斷裂韌性，其斷裂能相比于組元的簡單混合提高了300多倍。

2 生物力學與仿生材料：認識自然—理解自然—學習自然

生物體是由材料組成的，而力學性能是材料的基本性能指標。不斷優化材料的力學性能以使其更好地滿足實際應用需求是天然與人造材料體系發展的共同目標，同時也是它們面臨的共性難題。作為涉及材料學、生物學、力學、物理、化學等多個領域的新興交叉學科，生物力學與仿生材料研究自20世紀80年代以來在國際上受到廣泛重視，至今依然非?；钴S[7]。生物力學以生物體為研究對象，應用材料學和力學的原理與方法，揭示天然生物材料的巧妙設計和內在機理；仿生材料研究則是通過模仿生物材料的設計進行新型人造材料的制備與組織結構構筑，以達到性能優化的目的。生物力學研究是仿生材料設計與制備的基礎和前提，發展新型高性能仿生材料是生物力學研究的方向和最終目的。

生物力學與仿生材料研究可以分為逐步深入的“認識自然—理解自然—學習自然”三個階段(圖2)：

(1)認識自然：闡明典型生物材料在不同尺度的組成、組織結構以及力學性能與功能，建立它們之間的系統關系，揭示變形、斷裂機制和不同因素的影響。

(2)理解自然：從材料學、力學等角度揭示生物材料實現強韌化以及其他優異性能的關鍵機制原理，提煉天然與人造材料體系共性的優化設計原則與策略。

(3)學習自然：將生物材料的優化設計原則應用于人造材料體系，研發新型仿生材料與相應的制備方法，實現人造材料性能優化以更好地滿足實際應用需求。

3 自然界“軍備競賽”——各種天然武器的演變

在殘酷的自然選擇與競爭過程中，攻擊和防御是大多數生物體(特別是動物)賴以生存的關鍵技能，而這兩種技能主要通過它們進化形成的“天然武器”來實現。自然界中的天然武器主要用于完成捕獵、進食、格斗等一系列對生物體至關重要的功能，因此其力學性能已經在相應環境條件的限制范圍內達到了最優化[4]。特別是，為了提高攻擊效率同時盡量減小自身所受到的損傷，天然武器進化出一系列不同于其他類型材料(例如貝殼、魚鱗、穿山甲鱗片等裝甲類材料[8-10])的獨特設計。鑒于此，大自然巨大的天然武器庫可以為新型仿生材料的組織結構、力學性能和功能的優化設計提供寶貴的靈感，特別是對于抗沖擊、耐磨等使用條件苛刻的材料體系。

“刀槍劍戟，斧鉞勾叉”，不同生物體的生存環境和面臨的生存挑戰差異很大，因而它們所進化出來的天然武器也多種多樣[11]。盡管如此，絕大多數天然武器都具有突出的力學性能，并且在長期的自然界“軍備競賽”中，不同種類生物體的天然武器之間形成了相似的材料設計特點，這意味著天然武器在某種程度上存在著趨同進化的趨勢[11]。自然界中的天然武器大致可以分為以下10類(圖3(a))：牙齒、口器、齒舌、喙、角、前肢、爪、螫針、體刺以及主要利用力學性能之外的其他功能的非常規性武器(圖3(b))[3]。其中，同一類天然武器往往表現出相似的形式、組織結構以及使用功能，下面對各種類型的天然武器進行逐一簡介。

圖2 生物力學與仿生材料研究的三個階段：認識自然—理解自然—學習自然[3]

圖3 (a)天然武器的分類以及(b)主要利用力學性能之外的其他功能的非常規性武器[3]

3.1 牙齒

牙齒是脊椎動物最常用的天然武器，主要用于進食、捕獵(特別是食肉動物)、自衛、打斗等。牙齒的力學性能主要來自其內層牙本質和外層牙釉質兩個部分的貢獻，其中牙本質礦化程度相對較低，表現出良好的塑性、斷裂韌性和吸能效果，并且通過梯度過渡的界面(即釉牙本質面)與外層高度礦化的牙釉質相連接。牙釉質由定向排列的釉柱組成，每根釉柱又包含無數高度取向的納米礦物纖維，因此具有非常高的硬度和良好的耐磨損性能。牙齒整體上具有外強而內韌的梯度力學性能。大熊貓是動物界中牙尖齒利的典型代表，其堅固強悍的牙齒是它們啃食竹子的利器(圖4(a))，特別是主要提供強度和硬度的牙釉質，其精巧復雜的微觀結構不僅使大熊貓牙齒具有優異的力學性能，而且還使其具有良好的自修復能力[12-13]。大熊貓的牙釉質包括外牙釉質和內牙釉質兩部分，其微納米尺度的釉柱以及羥基磷灰石礦物纖維之間的界面均以天然有機質填充和連接(圖4(b)～(d))。在外牙釉質區，釉柱垂直于咬合面緊密排列；在內牙釉質區，釉柱則以兩個取向相反的單元交替出現，每個單元內的釉柱取向一致。這種高密度的富含有機質的微觀界面在牙釉質的變形與損傷過程中，一方面可通過誘導裂紋發生偏轉、扭轉以及纖維橋連等機制阻礙其擴展，另一方面則通過天然有機質在水合條件下發生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉變溫度降低等機制實現損傷的自動修復(圖4(e)～(f))。

圖4 (a)大熊貓啃食竹子的照片；(b)～(d)大熊貓牙釉質的(b)外牙釉質區、(c)內牙釉質區和(d)釉柱內部的微觀形貌；(e)、(f)大熊貓牙釉質在水合條件下的自修復功能[12-13]

3.2 口器

很多無脊椎動物盡管沒有牙齒，但是進化出一種類似牙齒的口腔附屬物或口器作為武器進行捕食、咀嚼食物以及攻擊敵人?？谄髟诠澲珓游锖腿湎x中以唇顎的形式存在，而在某些昆蟲(例如臭蟲、蚊子、虱子等)中則具有針狀的外形，用于刺入植物或動物的組織器官來吮吸液汁。與脊椎動物牙齒通常進行的垂直運動不同，唇顎式口器在工作過程中往往在水平方向上往復運動，而針狀口器則可以沿針的長軸方向進行前后運動。紅螯螯蝦的下顎就是這種武器的典型例子[14]。它的外層由高度礦化的氟磷灰石棱柱組成，并且礦物的長軸垂直于下顎的外表面，從而可以實現載荷的高效傳遞；而內層由以螺旋形式排列的幾丁質纖維組成，具有良好的韌性和能量吸收能力。紅螯螯蝦下顎通過梯度變化的界面將適于進攻的外層和適于防御的內層巧妙地結合起來，從而實現了優異的綜合力學性能。

3.3 齒舌

作為軟體動物常用的一種武器，齒舌是表面裝配有眾多細小牙齒的舌狀幾丁質帶，通常被用于以類似耙子或銼刀的方式收集、粉碎以及切割食物。與普通脊椎動物的牙齒不同，齒舌上的牙齒按照特定的形式整齊平行排列，使得齒舌像一條傳送帶一樣，并且牙齒的形態根據食物來源的不同而在物種間有所差別。齒舌獨特的工作方式對其上牙齒的耐磨性提出了嚴格要求。例如，石鱉利用齒舌刮食附著在礁石上的藻類為生(圖5(a))，它們齒舌上的牙齒是已知的由生物體合成的最堅硬的材料之一[15]。石鱉齒舌上的每顆小牙齒都是由高度礦化的外鞘和富含有機質的芯部組成的(圖5(b))，其中，外鞘是由無數棒狀的納米磁鐵礦組元構成的。這些礦物組元沿平行于齒面的方向擇優排列，并且越接近齒的前緣其礦化程度越高，因此牙齒的硬度也表現出逐漸增大的趨勢，這為齒舌上的牙齒實現自銳化提供了條件。

圖5 (a)石鱉齒舌的工作方式和齒舌上牙齒的排列形式，以及(b)牙齒外鞘和芯部的微觀組織結構[3,15]

盡管牙齒、口器和齒舌這三種武器由不同種類的生物體獨立進化而來，但是它們為實現其力學功能而采用了非常相似的材料設計策略，特別是它們都具有由外到內梯度變化的微觀組織結構和力學性能。強而硬的外殼有利于提高武器的進攻效果，加大給對方造成的損傷，而柔韌的基底則有利于實現良好的防御，減輕武器和生物體自身所受到的損傷。因此，天然武器能夠利用梯度設計將進攻與防御這兩種本來相互矛盾的功能有機地統一起來。

3.4 喙

喙由一對包裹著硬角質層的骨質突起結合而成，是鳥類用于采集、進食、攀爬、爭斗和捕殺獵物的武器和主要工具。除鳥類之外，很多其他生物體(例如頭足類動物、鯨類、海龜等)也擁有類似喙一樣的武器，其中頭足類動物——魷魚的喙是目前已知的硬度和剛度最高的純樹脂類材料之一[16]。鳥喙能夠在最大限度地保留低比重的前提下實現最佳的力學性能[17]，這對于新型輕質結構材料設計具有一定的指導作用。例如，啄木鳥的喙由高度取向排列的角蛋白鱗片組成，并且鱗片之間的界面在微觀上具有崎嶇不平、犬牙交錯的特征[17]。這種結構一方面可以通過加大喙尖端的應力集中和沖擊功來強化其進攻效果，另一方面可以通過界面處的局部剪切變形使喙自身所受到的沖擊能量得以耗散。因此，啄木鳥的喙能夠在啄透樹木的過程中避免發生屈曲或破壞。

3.5 角

角是位于動物頭部的一種尖形突起，主要形成于叉角羚科、?？坪湍承┘紫x類動物(如獨角仙等)等生物體中，常被用作武器進行自衛或者爭奪領地、統治地位以及交配優先權。除了完全由角蛋白構成的犀牛角之外，哺乳動物的角通常由骨質的內芯和包含有角蛋白以及其他種類蛋白質的外鞘組成，并且在形成之后一般不會自動脫落，而鹿角作為一種特例往往會形成分枝并且每年定期脫落。由于要承受很大的沖擊載荷和彎矩，動物的角通常具有良好的損傷抗力和能量吸收能力，從而將傳遞到動物頭部的沖擊載荷降到最低，以最大限度地保護大腦。與哺乳動物的角不同，甲蟲的角生長周期更短并且尺寸更小，微觀上主要由鑲嵌在蛋白質基體中的幾丁質納米纖維構成。以獨角仙為例，它的頭部長有“Y”字形的大角，在打斗過程中通常被用來挑刺或撞擊對手(圖6(a))[18]。獨角仙的角從外向內依次可分為外角質層、內角質層、基底膜層和具有泡沫結構的芯部。其中：外角質層由沿徑向和圓周方向排列的幾丁質納米纖維交叉構成；內角質層則由幾丁質纖維束以片層的形式排列而成，纖維束在每一片層內具有相同的取向，而在相鄰片層之間則表現出一定的取向差，這與三合板的結構相似(圖6(b)～(f))。這種從外到內梯度變化的微觀組織結構賦予獨角仙角良好的抗沖擊性能，從而能夠在保持輕質的前提下對角根處的頭部起到有效的保護作用。

圖6 獨角仙(a)角的工作方式；(b)頭部和角的三維X射線圖像；(c)角的微觀組織結構和(d)外角質層、(e)內角質層以及(f)芯部的典型形貌[18]

3.6 前肢

前肢是指節肢動物用于捕捉和粉碎獵物的前腿或附肢，是螳螂科、螳蛉科、負子蝽科、蝎蝽科等多種昆蟲常用的武器，其中螳螂尖利的前肢最為人熟知。前肢經常被用來擊打具有相同材質甚至由更為強硬的材料構成的天然鎧甲。例如，螳螂的前肢可刺破同樣由幾丁質組成的蟬的外骨骼。另外，螳螂蝦的前肢可敲碎主要由礦物組成的貝殼等。前肢這種優異的力學性能主要歸因于其巧妙的材料與結構設計，雀尾螳螂蝦的錘子狀前螯是其中的典型代表，如圖7所示[19-21]。它的外層具有梯度變化的礦物含量，越靠近外表面氟化磷灰石的含量越高，納米尺度的礦物組元組成“人”字形彎曲的片層，組元的取向在片層內發生周期性的變化，并且在最外側沿垂直于外表面的方向擇優排列，這使得前螯外層具有突出的剛度和硬度，從而有利于加大其對獵物輸出的沖擊功。前螯的內層由礦化的幾丁質纖維組成，纖維的取向以螺旋狀的形式發生周期性的變化(圖7(c))，該結構可有效減弱前螯內部的沖擊波，并誘導裂紋的擴展路徑不斷發生扭轉，從而提高前螯的能量耗散率和斷裂韌性。這些巧妙設計將前螯外部的攻擊能力和內部的防御能力完美地綜合起來，使其能夠在不損傷自己的前提下輕而易舉地擊潰它的對手，如貝殼和螃蟹的外骨骼等。

3.7 爪

爪是生長在羊膜動物(如哺乳動物、爬行動物和鳥類等)手指或腳趾末端的尖利的鉤狀附肢，也表現為靈長類動物和其他一些哺乳動物具有類似彎曲形狀的指甲以及節肢動物類似鉗子一樣的螯。爪作為武器主要用來獵取食物和進行自衛，也可以作為工具用于挖掘、攀爬等，在使用過程中通常承受自下向上的彎曲力。哺乳動物的爪主要由α-角蛋白組成，爬行動物和鳥類的爪則主要由β-角蛋白組成。雖然礦物含量很低，但角蛋白可以通過在多肽鏈之間以及角蛋白纖維與非晶態基質之間形成二硫鍵而產生豐富的結構交聯，因此是韌性最好的生物材料之一。除了微觀組織結構，爪的宏觀幾何外形對于實現其力學功能也起到了重要作用。例如，老虎可以利用鋒利的虎爪輕易刺破動物的軟組織甚至骨骼[22]?；⒆暧^上具有沿對數螺旋線變化的凹形輪廓，這種形狀使其在受力過程中內部各個位置的應力狀態更加均勻，即虎爪中沒有一處位置比其他地方更容易發生破壞。此外，爪的幾何外形還與其具體使用功能有關。例如，蜥蜴的爪具有更大的彎曲度，并且根部所占的相對比例也更大，因此更加適于攀爬。

圖7 雀尾螳螂蝦的(a)宏觀照片(前螯由箭頭標出)，(b)前螯的整體形貌以及(c)外層和內層的微觀組織結構[19-21]

3.8 螫針

螫針是以節肢動物為主的動物尾部生長的一種鋒利器官，用來刺穿對手的表皮，通常伴有一個或多個毒腺，并且某些動物的螫針還長有倒刺。一些非節肢動物也長有類似螫針的鋒利武器，例如黃貂魚的膚齒和水母的刺絲胞觸手等。螫針造成的傷害能夠通過毒液的注入而顯著放大，某些螫針的毒液會引起嚴重的過敏或中毒反應而導致劇烈疼痛甚至死亡。螫針具有從微觀到宏觀尺度上都高度優化的組織結構，因此能夠在快速刺透目標并注射毒液的過程中避免發生力學失穩，同時能夠輕易從目標中拔出，大部分生物體的螫針都可以重復使用。胡蜂的螫針是這類武器的典型代表，它由一個管心針和兩個帶有倒刺的針鞘組成[23]。向前推進的針鞘能夠輕易穿透目標的表皮，針鞘上面的倒刺可以通過誘導目標組織的應力集中和擠壓組織液作為潤滑劑來降低穿透力。當螫針從組織中拔出時，針鞘可以利用其螺旋形的幾何外形將倒刺隱藏在管心針一側，從而減少螫針的橫向跨度，使拔出時的拖曳力最小化。

3.9 體刺

體刺是一種堅硬的針狀武器，主要被用作一種主動防御機制來恐嚇或擊退捕食者，因此許多動物的體刺都特別顯眼，以此來警告對手它的危險性和防御能力。體刺在不同動物中往往表現出不同的形式，包括毛毛蟲的剛毛、硬骨魚的背脊、海綿的鈣質針狀體和刺猬的刺等。哺乳動物的體刺通常由柔韌的泡沫內芯和剛硬的角質外鞘組成，某些物種(如非洲豪豬)的體刺中還長有軸向的加強肋以進一步提高體刺的剛度和力學穩定性。此外，美洲豪豬的體刺表面長有倒鉤，使其能夠輕易穿透目標的表皮并留在里面，使對手很難將其拔出。刺鲀的體刺具有非常特別的材料學設計，它可以看作由羥基磷灰石和膠原蛋白組成的納米復合材料，并且礦化程度從尖端到根部逐漸降低[24]。礦化的膠原蛋白纖維與未礦化的纖維相互交織穿插，并且沿體刺的長軸方向擇優排列。這種高度取向的微觀結構有利于提高體刺的軸向剛度，纖維之間豐富的界面則可以通過誘導裂紋偏轉來提高體刺的韌性，因此使得體刺兼具良好的進攻和防御功能。

3.10 非常規性武器

除了上述主要利用力學性能的常規性武器之外，自然界中的生物體還進化出多種多樣的非常規性天然武器，利用材料力學性能之外的其他功能，完成特殊的攻擊和防御技能。典型的非常規性武器包括蜥蜴的黏舌、射水魚的射流、槍蝦的沖擊波、眼鏡蛇的毒液、射炮步甲的化學噴霧、電鰻的高壓電流以及蜘蛛的絲網等(圖4(b))[25-33]。生物體利用非常規性武器可以巧妙地實現強大的攻擊效果，例如電鰻放電產生的強大電流足以在短時間內將短吻鱷致死。非常規性天然武器在使用過程中往往涉及一系列神奇的物理和化學反應，典型的如射炮步甲噴射化學噴霧以及蜘蛛吐絲等[30-31]。這些過程可以為新型人造材料的制備提供啟迪，例如通過模仿蜘蛛吐絲可以高效合成高強度纖維。

4 天然武器的材料科學——攻擊與防御兼得

人造材料的力學性能和功能在很大程度上是由化學成分決定的。與之相比，以天然武器為代表的生物材料盡管組元相對簡單，但是卻利用進化而成的復雜而巧妙的組織結構達到了突出的力學性能。同時，生物材料能夠感知自身狀態和外界環境條件的變化，并且自動地做出響應，從而實現主動適應、自愈合以及自我更新等來保障它們的功能。因此，生物材料是自然界中的智能材料。例如，鯊魚的牙齒在損失后可以在一天之內得到補充和更新[34]。天然武器是生物體同步實現強力攻擊和穩固防御的典型代表，盡管這兩種功能在人造材料中往往表現為相互矛盾的關系，然而它們在天然武器中通過巧妙的材料與結構設計實現了完美的平衡。其中，天然武器的攻擊效果主要與其剛度、強度、硬度等力學性能有關，而防御效果則主要來自彈性、塑性、斷裂韌性以及抵抗沖擊、磨損和疲勞等方面的性能。天然武器通過組織結構的多級構筑和梯度、取向、界面的大量應用與調節，在材料內部不同的組織結構尺度和位置實現了獨特的力學性能，從而成功地克服了攻擊與防御之間的相互制約關系。

盡管不同種類的天然武器之間存在很大差異，但是它們的內在材料學設計往往表現出一定的相似性，典型的代表包括蚊子的口器和蜜蜂的螫針[23,35]。這種相似性體現了自然界中的生物體在各自應對長期“軍備競賽”的過程中存在的某種趨同進化趨勢。從材料學和力學的角度來看，我們可以從種類繁多的天然武器中提煉出以下幾個共性的關鍵設計原則，如圖8所示[36-41]。

4.1 幾何形狀

天然武器的宏觀外形和幾何尺寸在長期進化過程中得到持續改進，形成了適當的大小、尖銳度、曲率、倒鉤和錐度等幾何形狀特征，以更好地完成不同的生物力學功能[36]。例如，哺乳動物尖長的犬齒能夠在避免嚴重應力集中的前提下有效地刺穿和撕咬食物，而寬平的臼齒則更加適于咀嚼和研磨食物[39]。

4.2 梯度設計

天然武器的化學組成和組織結構(包括結構單元的排列方式、分布、尺寸和取向)在空間上往往呈現梯度變化，同時材料中存在多種平滑過渡的梯度界面。天然武器往往在不同的位置分別強化它們的攻擊和防御效果，然后通過這種梯度設計將不同位置的力學性能優勢結合起來，從而達到優異的整體性能[40]。

圖8 為同步實現攻擊和防御效果天然武器具有的共性材料學設計原則[3,36-41]

4.3 多級結構

以天然武器為代表的生物材料通過“自下而上”的自組裝過程，形成了從微納米尺度到宏觀尺度都高度優化的多級組織結構。材料的不同力學性能可以在不同尺度上得以優化，例如強度與納米結構密切相關，而斷裂韌性(特別是裂紋擴展阻力)則主要來源于材料微米尺度的組織結構對裂紋擴展起到的阻礙作用[38]。天然武器能夠利用多級組織結構設計在不同尺度上優化其攻擊和防御效果。

4.4 自修復與自適應

天然武器在發生損傷后往往能夠通過自修復與自適應繼續滿足性能和功能需求。例如，牙齒中的牙釉質在水合條件下能夠利用它所包含的有機質的黏彈性實現微納米尺度的自修復。盡管牙釉質中的有機質含量非常低(質量分數約1%)，但這種自修復響應仍然表現出較高的效率。以大熊貓牙釉質為例，其納米尺度的壓痕深度可以在100 min內減少約32 %，從而顯著減弱損傷程度[13]。

4.5 支撐系統

通常情況下，生物體中存在各種各樣的支撐系統以保障天然武器的功能得以正常發揮。這些支撐系統或者可以增強武器的攻擊效率，或者可以減弱自身所受到的損傷。前者以螳螂蝦的蝦鞍為代表，它可以為前螯的迅速出擊儲存并快速釋放大量的彈性能[19]；而后者則以啄木鳥的舌骨為代表，它可以有效吸收沖擊能量，緩沖鳥喙在啄木時的應力波，從而保護鳥的大腦免受傷害[37]。

4.6 多功能性

作為天然武器的材料體系除了能夠實現攻擊和防御之外，還往往被用來完成信息交流、體溫調節、偽裝等其他多種功能，例如鳥類可以通過喙的相互接觸進行交流和求偶[41]。這種多功能性體現了大自然所運用的系統性的結構-功能一體化的材料設計理念，因此天然武器可以作為人造多功能材料設計的典范。

5 天然武器的仿生啟示：材料—器件—裝置

自然界中的天然武器能夠為仿生設計提供很多寶貴的啟示。然而，目前在結構材料領域只有極少數運用天然武器的設計原則解決實際工程問題的成功案例。一方面，這是由于人們對天然武器的材料學設計和內在的性能優化機理缺乏深入的了解；另一方面，這與天然與人造材料體系截然不同的形成和制備方式有關。人造材料往往是通過“自上而下”的方式進行合成和制備的，通常需要高溫、高壓等嚴苛的生產條件，并且需要消耗大量的能源。這與在溫和的自然環境中以“自下而上”的方式通過長期自然進化生長形成的天然生物材料存在著本質差異。不過，隨著3D打印、磁場輔助加工等新型材料制備技術的發展[42-43]，人們可以對材料的組織結構進行更為精細的設計和控制，甚至可以在微納米尺度對其進行有效的構筑，這為在人造材料、器件與裝置中模仿天然武器的巧妙設計提供了更為有力的工具。

首先，天然武器能夠為人造材料微觀組織結構的優化設計提供指導。例如，通過模仿牙釉質中釉柱和納米礦物纖維高度取向的結構特點，Yeom[44]等利用水熱法生長出沿縱向排列的氧化鋅納米線，然后將納米線之間的縫隙通過浸滲樹脂進行填充，從而制備得到了由氧化鋅納米線和樹脂基體組成的層狀復合材料，如圖9所示。該復合材料與牙釉質在微觀結構設計方面具有很多相似之處，例如兩者均由礦物和樹脂組成，礦物單元均沿特定方向擇優排列，并且組元的尺度都在微納米水平等。這種仿生設計賦予材料優異的剛度和阻尼特性，使其在生物醫用等領域展現出一定的應用前景。

圖9 受天然武器啟發而開發的仿生材料、器件與裝置，其設計靈感分別源自牙釉質、蚊子口器和鼴鼠前爪[3,44,46]

其次，除了材料的微觀組織結構，天然武器還可以為更大尺度的器件以及裝置設計提供靈感，從而為解決更多領域、更廣范圍的技術問題提供途徑。一個典型的例子是利用離子蝕刻技術制作的微型醫療器件，它由一個管心針和兩個鋸齒狀外鞘組成(圖9)，在外形、結構尺度和裝配形式上都與蚊子的口器相似[45]。與普通的管狀針相比，這種針狀器件可以通過管心針和外鞘的協同運動更加輕易地刺入組織，并且鋸齒狀外鞘的切割方式還可以減小刺入過程中器件與組織的接觸面積，從而大大減輕患者的疼痛感，因此非常適合于臨床采血和注射等。在更加宏觀的尺度上，天然武器的幾何外形能夠為人造裝置和工具設計提供啟示。例如，受鼴鼠前爪的啟發設計的用于耕作的缺口圓盤耙[46]，其光滑的鐮刀形葉片與鼴鼠前爪的幾何形狀相似(圖9)。這種設計不僅有助于緩解犁地過程中圓盤表面和盤桿結合處的應力集中，同時能夠減小犁對拖拉機的拖拽阻力，從而提高工作效率并減少燃料消耗。

此外，天然武器的優勢不僅在于它們是如何設計的，而且在于它們是如何工作的，這在某種程度上超出了材料學的范疇，而與機械工程學緊密相關。天然生物材料系統的工作方式同樣可以為解決實際工程問題提供靈感。例如，蚊子的口器并非像矛一樣直接刺向目標，而是通過高頻前后震動的方式利用其鋸齒狀的外鞘來切割皮膚，以顯著降低刺入組織的阻力，實現無痛叮咬[35]。相似的工作方式也可以在上述仿生微型針中采用，通過沿針管方向施加微振動可以使微型針更為輕易地刺入組織，減輕患者的疼痛。另一個例子是具有與海膽口器相似外形的新型地面采樣器，通過模仿海膽口器打開和閉合的工作方式，這種采樣器可以高效地完成采集和釋放動作[47]。

6 總結與展望

《道德經》云“人法地，地法天，天法道，道法自然”。在自然界長期“軍備競賽”過程中進化而成的天然武器是促進新型人造材料發展的靈感源泉。與傳統“試錯式”的成分優化等方法相比，從仿生角度對材料進行微觀組織結構設計能夠為材料性能的改進提供新的途徑。為了達到這個目的，生物力學與仿生材料研究首先需要回答兩個最基本的關鍵問題：①生物材料是如何實現其性能最優化的？②生物材料的巧妙設計如何在人造材料中實現？

第一個問題主要與生物力學有關。我們需要拓寬生物材料的研究體系，重點澄清賦予材料優異性能的主要組織結構特征，闡明這些設計的作用機制，進而從材料學、力學等角度提煉內在的優化設計原則。特別是，應該從微納米、介觀到宏觀等不同的尺度綜合考慮生物材料多級組織結構的作用。在這方面，多尺度仿真模擬有望為生物力學研究提供有力的工具。此外，考慮到生物趨同進化的趨勢，我們應重視對已知材料體系中存在的共性規律的歸納和總結，所謂“溫故而知新”。一味去探究未知生物體系，盲目地追求稀奇古怪的材料，對于加深人們對生物材料優化設計原則的理解往往事倍功半。

第二個問題主要涉及到新型高性能仿生材料的設計與制備。一方面，我們需要在多級尺度上對材料的組織結構進行控制?，F有的材料制備加工工藝往往只能在有限的尺度上對材料的結構特征加以調節，例如相組成和晶粒尺寸等，而增材制造、冷凍鑄造等新型材料制備技術的發展為更為精細有效的仿生組織結構設計與構筑提供了可能[48-49]。特別是，將現有工藝與新技術的優勢相結合，有望促進仿生設計更好地為解決實際問題服務。另一方面，成功的仿生設計并不需要機械死板地復制天然生物材料的組織結構，而是要靈活地運用其內在的材料優化設計的原則和理念，也就是應該更多地注重“神似”而不是單純追求“形似”。

綜上所述，探索天然生物材料的巧妙設計，揭示自然界“軍備競賽”中的材料科學，不僅能夠增進人們對大自然的了解，而且能夠為改進人造材料的性能和功能提供靈感和啟迪。天然材料的設計原則和理念有望為當前和今后面臨的技術挑戰提供越來越多的創新性解決方案，為科技發展和社會進步不斷貢獻新型的高性能仿生材料。