文/Glenna B.Musante

譯/何帆

(譯自AATCCReview,March/April 2014 Vol.14,No.2)

如果仔細(xì)觀察大自然中的一草一木，你就會發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)藏著無數(shù)精巧的設(shè)計，比如：如能夠隨時改變膚色融入周圍環(huán)境的動物；非常柔韌卻能抵御捕食者的外殼；通過翅膀、毛發(fā)、皮膚上的特殊結(jié)構(gòu)折射光線產(chǎn)生顏色；如同微型工廠般紡出世界上最輕盈、強(qiáng)韌纖維的蜘蛛。自然界獨(dú)特的設(shè)計、功能、物質(zhì)為人類提供了一個巨大的創(chuàng)造力來源的寶庫。這些驚人而復(fù)雜的系統(tǒng)默默無聞地運(yùn)行，天衣無縫地與自然相容，且毫無毒害。

仿生學(xué)是一個包羅萬象的世界，也是紡織學(xué)家開始轉(zhuǎn)向這個相對新的領(lǐng)域?qū)ふ异`感的原因。仿生學(xué)的研究對象是自然，尋找其中的創(chuàng)新設(shè)計、建造思路正在變得越來越流行。仿生學(xué)變熱的同時，也吸引了大量研究資金。

1 自然母親公司

據(jù)毛紡織和化學(xué)教授Crisan Popescu說，仿生學(xué)是個正在發(fā)展的研究領(lǐng)域，但同時也與服裝業(yè)一樣非常古老。

他說，服裝最初是用來替代皮毛的，從這個角度來說，仿生學(xué)從人類歷史開端就有了。現(xiàn)在，于前人研究的基礎(chǔ)上，紡織學(xué)院正在資助仿生學(xué)研究者開發(fā)具有高度復(fù)雜功能的紡織品。

最為大眾熟知的運(yùn)用仿生學(xué)例子是現(xiàn)在服裝上使用的魔術(shù)貼。1940年代，一位名叫George de Mestral的瑞士工程師牽著寵物犬出門散步，當(dāng)他們回來時，發(fā)現(xiàn)狗身上粘上了許多帶小毛刺的針尾草。出于好奇，George仔細(xì)查看了這些針尾草，他突然有所領(lǐng)悟，于是就有了非常受歡迎，模仿針尾草原理的Velcro牌鉤環(huán)結(jié)構(gòu)尼龍搭扣。

也是在1940年代，英國人發(fā)明了一種叫做Ven?tile的防水織物。它由一種遇水自動膨脹的長絨棉制成。據(jù)Popescu教授介紹，二戰(zhàn)期間，這種織物曾被用來生產(chǎn)皇家空軍軍官制服。Ventile一詞由法語演變而來，意為通風(fēng)，因?yàn)檫@種纖維遇水膨脹，因而可以有效阻隔外界的各種元素。

2 回到未來

令人吃驚的同時，這些源于大自然的發(fā)明為人類提供了新一代紡織產(chǎn)品，使它們具有眾多不可思議的新功能。

其中一個例子是Mincor TX TT——一種由巴斯夫公司（BASF）生產(chǎn)的，用于遮陽篷、船帆、帳篷等具有自清潔功能的紡織涂層。這款產(chǎn)品的發(fā)明原型是荷葉上防止水滴與灰塵粘附的細(xì)小納米級突起。擁有這種涂層的織物也具有與荷葉一樣的自凈功能。

另一個現(xiàn)代運(yùn)用仿生學(xué)設(shè)計的例子是一款叫做Morphotex的帝人纖維。據(jù)與Inotek公司合作開發(fā)這款產(chǎn)品的Veronika Kapsali介紹，Morphotex不需人工染色便可自動顯色。他說：“這款產(chǎn)品是基于自然界中結(jié)構(gòu)色的機(jī)制設(shè)計的，如同大閃蝶翅膀上的亮藍(lán)色，是通過翅膀上細(xì)小結(jié)構(gòu)的特定排列將白光中的藍(lán)色光反射而產(chǎn)生的。正因如此，帝人纖維也被稱為光顯色纖維?！盞apsali稱Morphotex是一款神奇的產(chǎn)品，但2005年，它被帝人公司從市場中撤出，因?yàn)楫?dāng)時生產(chǎn)商并沒有對它產(chǎn)生足夠的興趣。

在過去幾年中，美國Schoeller公司從仿生學(xué)中獲得靈感，開發(fā)了多款產(chǎn)品，并成功將其推向市場。Schoeller公司董事長Weinbender說：“大自然中的生物是充滿智慧的，動植物經(jīng)過億萬年的演化經(jīng)受了自然的挑戰(zhàn)，適應(yīng)了氣候變化，獲得了能量，保護(hù)了自己。”

Schoeller研發(fā)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的仿生產(chǎn)品包括Nanosphere，根據(jù)蓮葉結(jié)構(gòu)開發(fā)的具有自凈功能的織物；c-change，一種適應(yīng)性紡織膜，可根據(jù)人體溫度及濕度打開、關(guān)閉氣孔，保持適宜的內(nèi)部環(huán)境，防水防風(fēng)；solar+，一種紡織新技術(shù)，能夠吸收太陽光能增強(qiáng)衣物保暖性；ecorepel，由鴨子的羽毛獲得靈感研發(fā)的“生態(tài)防水產(chǎn)品”。

“我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直從自然中獲得啟發(fā)。”Weinbender說，“例如，我們從人類的皮膚入手開發(fā)膜技術(shù)，還開發(fā)了通過鎖住空氣發(fā)生作用的輕型絕緣材料，我們的目標(biāo)是開發(fā)更清潔，安全，多功能的織物，同時產(chǎn)生很少或幾乎不產(chǎn)生污染物。”

3 有前景的發(fā)展

以上產(chǎn)品都已進(jìn)入市場，還有一些正在研發(fā)中。這些新技術(shù)有望為人類提供前景更加廣闊，擁有更多功能的新產(chǎn)品。

(1)種出來的羊毛

德國亞琛大學(xué)的研究者們正在嘗試研發(fā)“試管羊毛”，實(shí)際上是一種在實(shí)驗(yàn)室里長出來的羊毛。“人造肉可以在實(shí)驗(yàn)室被生產(chǎn)出來，為什么羊毛不行呢？”Popescu教授說?！把蛎慌囵B(yǎng)在毛囊中，關(guān)鍵是要測得毛囊的生物能量。換句話說，如果弄清毛囊的工作原理，并能夠復(fù)制這一過程，生產(chǎn)人造羊毛只是時間問題了。”Popescu教授的團(tuán)隊(duì)還在研發(fā)一款互動微凝膠，原理與松果類似，可以根據(jù)濕度變化張開或閉合。他們研發(fā)的最終產(chǎn)品還能根據(jù)pH、溫度以及光線做出反應(yīng)?！八梢耘蛎?、收縮，這是一款可以進(jìn)行互動的材料?！盤opescu教授說。

（2）無毒永久熨平

Mark Dorfman是Biomimicry 3.8咨詢公司的科學(xué)家，他以研究大自然為生，開發(fā)一系列模仿自然界原理、特征、設(shè)計的產(chǎn)品。

Dorfman為利慧公司（Levi Strauss&Co）工作，尋找印染劑替代品使其能夠?yàn)榭椢锉３钟谰渺倨叫Ч?。?jù)Dorfman介紹，棉花的標(biāo)準(zhǔn)永久燙平過程中需要將棉花浸泡在甲醛溶液中，使甲醛填充在纖維空隙中，保證熨燙時織物被定型。

“對于穿著者來說，甲醛溶液并不會對他們產(chǎn)生影響?！盌orfman說，但對于生產(chǎn)者，由此產(chǎn)生的污水會帶來有毒化學(xué)物質(zhì)。目前，Dorfman及他的同事進(jìn)行的一項(xiàng)頗具前景的研究正利用仿生學(xué)原理為利慧公司開發(fā)一種用于織物永久熨平的毒性較小的甲醛溶液替代品。

4 迷人但難以捉摸

大自然為人類帶來如此之多的創(chuàng)造靈感，難怪越來越多的科學(xué)家們都開始在仿生學(xué)領(lǐng)域?qū)ふ已芯克悸?。不過，想原樣照搬這些大自然的杰作并非易事，有些問題甚至最優(yōu)秀的科學(xué)家也解決不了，其中一項(xiàng)便是關(guān)于蜘蛛絲的研究。

(1)人工合成蛛絲

“如果說仿生學(xué)設(shè)計中有一座難以逾越的珠穆朗瑪峰，那非蜘蛛絲莫屬。”Weinbender說，“我在Schoeller公司工作了26年，從我剛工作起關(guān)于蛛絲的項(xiàng)目就已啟動，直到現(xiàn)在仍在進(jìn)行。它如此強(qiáng)韌、輕盈，到目前為止我們都無法生產(chǎn)出符合蛛絲各項(xiàng)指標(biāo)的人造絲?！?/p>

不過，這個項(xiàng)目的創(chuàng)意還是很吸引人的，它基于蛛絲的“強(qiáng)度與重量比”。蛛絲非常結(jié)實(shí)，甚至可以用來提供彈道保護(hù)，同時它又如此柔軟、輕盈，不像通常用于生產(chǎn)軍用防彈衣、防彈背心的材料。Weinbender希望將來通過研究能夠?qū)崿F(xiàn)蛛絲商業(yè)化量產(chǎn)。雖然在研發(fā)和量產(chǎn)人工合成蛛絲上還有許多障礙，Schoeller公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室仍在堅持這項(xiàng)研究。

同時，世界上其他團(tuán)隊(duì)及公司也在從事于這項(xiàng)研究。Popescu說，人工合成蛛絲量產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)可能會比人們預(yù)料的要早。他說：“我們一直在從事這項(xiàng)研究，亞琛大學(xué)已經(jīng)發(fā)明了一種利用電紡機(jī)生產(chǎn)人工合成蛛絲的方法?！迸c生活中所見的棉花糖機(jī)原理類似，電紡機(jī)以各種有機(jī)和無機(jī)聚合物為原料制造納米纖維，再紡成合成絲。Popescu說，從1980年代起，人們就開始了這項(xiàng)研究，現(xiàn)在終于研制出了能夠推向市場的產(chǎn)品。

Popescu說，靜電紡紗能夠生產(chǎn)出細(xì)至1微米的絲，他們發(fā)明的人工合成蛛絲非常輕且強(qiáng)度極高，由角蛋白溶液為原料，直徑為600～800納米。他相信，這樣的絲已經(jīng)可以用來生產(chǎn)既舒適又輕便的防彈材料了。

他們的研究思路已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室得到證實(shí)，“現(xiàn)在需要在產(chǎn)品的開發(fā)工程上做文章了。”Popescu說，加上批量生產(chǎn)，還需要五年或更短時間。

（2）自愈織物

另一種吸引人卻難以捉摸的仿生紡織品是自愈織物。Popescu說科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一款自愈涂料，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在寶馬和其他高端汽車上。這款自愈涂料是一種聚氨酯涂料，主要原料是從甲殼動物外殼中提取的殼聚糖。這種殼聚糖形成的化學(xué)鏈與陽光發(fā)生反應(yīng)從而“治愈”劃痕。不過，這項(xiàng)發(fā)明目前只停留在理論研究階段。

（3）軍用迷彩

軍用迷彩是另一項(xiàng)有趣的發(fā)明，如同變色龍會隨周圍環(huán)境改變皮膚顏色，軍用迷彩也有這樣的作用。Popescu說，研究部門已經(jīng)發(fā)明了一些織物能夠隨環(huán)境改變自身特性，包括顏色，但離實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還早得很。

他說：“我們已經(jīng)著手這項(xiàng)研究，可以在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)變色龍效應(yīng)，使微凝膠暴露在光下時發(fā)生形狀改變。但問題是，這種微凝膠能夠被應(yīng)用在涂料中嗎？涂料在紡織界是不穩(wěn)定的。真正能夠在各種環(huán)境下保持穩(wěn)定的變色龍纖維至少還需10年時間才能發(fā)明出來?！?/p>

5 展望

雖然困難重重，世界各地的紡織化學(xué)家正在模仿自然界各種神奇的特質(zhì)，開發(fā)一系列產(chǎn)品?？茖W(xué)家們最希望擁有大自然的能力，復(fù)制出一個生物系統(tǒng)，在運(yùn)行時不消耗資源或損害周圍環(huán)境。

Dorfman教授說，自然界中的一切，例如，每一片葉子都是一座可控、高效的化學(xué)工廠，同時又與周圍環(huán)境和諧共存，它們不斷適應(yīng)環(huán)境、自我進(jìn)化，這是人類應(yīng)當(dāng)效仿的。