仿生学在纺织服装领域的应用

颜辛茹，朱 颖，杨 亚

（常熟理工学院，江苏 常熟 215500）

仿生学，即模仿自然界的形态及功能，为发明新事物、总结新理论的科学。在科学研究中，运用了大量仿生学原理，甚至一些新型材料的功能性已经超过了被模仿者。仿生学在纺织服装行业的应用也特别广泛，虽然是对形的模仿，但核心价值是理解自然界的运作模式及背后逻辑，这些直接或间接地推动了纺织服装业的发展。

1 仿生学应用起源

仿生纤维分为微观构成与天然纤维相似的化纤和模仿天然纤维触感的人造纤维。仿生纺织品是仿生纤维通过后整理、组织结构设计及织造技术等生产的具备特殊功能的纺织品。

对天然纤维的学习和模仿是合成纤维的发展起源。最初，科学家模仿蚕吐丝得到了人造纤维。随之而来的是硝酸纤维和黏胶纤维相继研发成功。20世纪30年代，纺织材料进入飞速发展时期—“尼龙666”正式生产，利用乳酪蛋白、大豆蛋白等制成了各种人造纤维。1938年前后，氯乙烯、尼龙6投入工业生产，标志着第一批人造纤维问世。1960年召开的第一届仿生学讨论会标志着一门新学科的诞生—仿生学[1]。之后，各种新型化纤材料相继研发成功[2]。

2 纺织服装领域的仿生技术

2.1 人造纤维中的仿生技术

荷叶表面覆盖平均直径为5~9 μm的乳突，而在乳突上还存在直径50~70 nm的蜡质层，这种复杂的微纳米复合而成的阶层结构赋予了荷叶表面超疏水的性能[3]。根据“荷叶效应”，人们对仿荷叶织物的拒水性有了更加深入的研究发现，涤纶高收缩丝、绉组织、组织系数越大的织物拒水性越好。

数千根多层微米尺寸的刚毛生长在水黾的腿部，如图1（a）所示，使其能排开约身体体积300倍的水量。在这些刚毛的表面覆盖着纳米级别的螺旋状沟槽，气泡吸附在沟槽中形成气垫，使水滴无法浸透，这便是水黾具备超疏水特性的原理。

北极熊有两层毛发，上层毛发长且光滑，具有疏水性的表面，下层毛发短且浓密。上下层毛发中的间隙锁住了空气并防止了部分水分渗入。其毛发透明的中空管状结构能吸收外界的紫外线，如图1（b）所示，北极熊通过这种方式收集光能，再将光能转化为热能。科学家模仿北极熊毛的结构，研制出了多孔仿生纤维，具有比表面积大、质量小、导湿保暖性能强、服用性能好等特点，其中，保暖性能甚至优于北极熊毛。

图1 自然界中的仿生

丝绸具有穿着舒适性、高级的光泽感以及丝鸣感等特点。仿真丝就是通过物理化学方法将涤纶纤维改性，使其在外观和服用性能上与真蚕丝相似。涤纶仿真丝在织物后整理中运用了碱减量处理的方法，可以减小织物的质量，使织物光泽更加柔和、手感更接近蚕丝织物，从而得到性能和外观均酷似真丝绸的仿真效果。“将化学纤维的差别化率提高到65%，建设具有强大创新能力和创新体系的化纤强国”也是我国“十三五”规划提出的要求[4]。

2.2 纺织品中的仿生技术

松球在日常生活中随处可见，有松子的松节是由不同性能的两层硬壳构成的。一层硬壳比另一层硬壳具备较高的吸湿膨胀系数和硬度，在干燥环境下，松节硬壳可以自动张开；在潮湿环境下，松壳会自动关闭，这就是“松球原理”。

根据这一原理，英国科学家研制出一种同时具备散热、保暖和除湿功能的智能仿生纺织品。这种纺织面料由具有特殊功能的两层面料构成：上层面料一般由吸水性强的材料制成，具备类似云杉鳞片的微小凸起，可以在潮湿的环境下打开以便水分蒸发，还可以在干燥环境下闭合，防止冷风进入；下层面料的孔隙很少，避免微小凸起在打开状态下受到外界水分的影响。

2.3 服装服饰的仿生技术

服装设计师从大自然中获取灵感，通过不同的表现方法，模仿大自然中动植物的色彩搭配、生物体的纹路肌理、生物体的生理功能等。

服装与服饰设计中的仿真主要体现在外观和服用功能上。直接对环境色彩或生物形态的模仿称为外形仿真，如被誉为“蝴蝶夫人”的服装设计师森英惠，在设计服装时大量运用了蝴蝶的元素。

此外，功能仿真主要体现在军事、运动和安全防护上，如古代的铠甲会在手肘关节、膝盖等位置加上犀牛皮以及用于现代军事领域的迷彩服等。

新冠肺炎疫情暴发后，由于长期无法外出，人们对“人与自然和谐共处”有了更加深刻的思考，仿真形态的服装也成为热点。这不仅是对自然之美的诠释，更表达了人们对生活的热爱和对大自然的信仰。

3 仿生技术在服装设计上的应用

仿生纺织品可用于日常衣着，如仿生超疏水纺织材料和纳米自洁涂层。由于其优越的自清洁性能和疏水性能，可以运用在上装领口、袖口、裤装裤口等容易被汗渍、雨水和尘土污渍污染的部位，可减少衣物洗涤次数，延长衣物的更换和使用周期，提高产品附加值，如图2所示。

图2 仿生设计运用实例

4 结语

不论是对自然界生物宏观形态的仿生，还是微观结构的仿生，都体现出仿生学科对纺织服装行业的作用之广泛、影响之深远。目前，对丝素蛋白仿生材料、石墨烯仿生复合材料等新型材料的研究都是研究热点。仿生纺织品材料将更加智能化、能动化、复合化和环境友好化。总之，在纺织服装业中，仿生纺织品与仿真服饰的开发研究是21世纪纤维、纺织品与服装领域的大方向。