譚 娜，邢志國，王海斗，王曉麗，金 國，徐濱士

(1哈爾濱工程大學(xué) 超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，哈爾濱150001；2陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100072)

生物體體表作為一種直接接觸外界環(huán)境的界面是決定生物能否適應(yīng)生存環(huán)境的條件。對自然界生物的表面形態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，生物因體表一些特有的形貌特征而具備一定的增加/降低黏附性、減阻以及減摩耐磨的功能。仿生學(xué)領(lǐng)域針對生物體體表的幾何形態(tài)的研究較多，近年來的熱點(diǎn)主要在于模仿生物體的表面形態(tài)，研究其具備特殊功能的機(jī)理，并試圖將其應(yīng)用于面對特殊工況的工程領(lǐng)域[1-3]。

生物由于體表的復(fù)雜幾何形貌而具備多種功能，如吸光性、減摩性、脫附減阻性、疏水性、降噪性等。其中，利用生物體幾何形貌來制備具有超疏水性、減阻性以及耐磨性的表面，已在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，仿生研究的熱點(diǎn)主要集中在針對自然界生物特有的功能來分析生物體適應(yīng)自然環(huán)境的本質(zhì)特征，以及生物體在不同環(huán)境下具備特殊功能的機(jī)制。但是，由于生物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其作用機(jī)制沒有形成一定的理論體系，給仿生形貌設(shè)計及對性能的影響機(jī)制分析帶來一定難度。因此，進(jìn)一步對生物體體表幾何形貌進(jìn)行提取分析，來研究其使生物表面具備的特殊功能的原因是十分必要的。本文針對目前仿生學(xué)研究較為廣泛的三個主要功能：生物表面的超疏水性能、減阻性能以及減摩性能來闡述其仿生原理與作用機(jī)制，明確仿生幾何學(xué)理論意義，以期能夠探索出仿生構(gòu)型未來的發(fā)展趨勢，為更有效利用資源以及改善零件的性能提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 仿生超疏水表面

超疏水表面是指水的接觸角大于150°、滾動角小于10°的表面。自然界的很多生物表面，如荷葉表面、蟬以及蝴蝶的翅膀等都具有明顯的超疏水特性。水滴在表面滑過，帶走了表面的污染物，使表面具備自清潔能力，這就是我們所熟知的“荷葉效應(yīng)”[4-5]。荷葉表面形貌及自清潔機(jī)制如圖1所示[6]。超疏水表面因具有自清潔、抗生物黏附、流體減阻、防水、防污的功能而得到廣泛的應(yīng)用，也因此引起了很多材料研究者的關(guān)注。但是，超疏水性生物表面形貌復(fù)雜，為了使材料表面具有超疏水性不僅要求水的接觸角度很高，還需水滴接觸角度有較小的滯后性，這就使得超疏水性表面形貌和制備方法的研究變得尤為重要。

1.1 仿生超疏水表面形貌

圖1 荷葉的超疏水表面形貌(a)及自清潔機(jī)制示意圖(b)[6]Fig.1 Morphology of hydrophobic surface of lotus leaf(a) and diagram of mechanism of self-cleaning(b) [6]

植物表面之所以具備超疏水的特點(diǎn)是因為其表面具有粗糙的幾何形貌，其特有的形貌降低了潤濕性，改變了接觸角。對荷葉葉片進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，其表面具有直徑為5～9μm的微凸體結(jié)構(gòu)，且單個微凸起表面具有枝狀納米鞭毛結(jié)構(gòu)，平均直徑為(124.3±3.2)nm，荷葉效應(yīng)是葉片粗糙表面雙重結(jié)構(gòu)與表面蠟狀物共同作用的結(jié)果[7]。疏水植物表面的粗糙度會降低其潤濕性，與同組分的光滑表面對比，超疏水表面的水滴接觸角更大[8-9]。對超疏水性表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分分析，可模擬制備各種形貌的超疏水性表面。自然界中不僅存在如荷葉表面具有超疏水、低黏附性特點(diǎn)的植物，也存在類似玫瑰花表面具有超疏水、高黏附性特點(diǎn)的植物。通過掃描電鏡對玫瑰花花瓣的形貌進(jìn)行觀察，并測量樣品表面接觸角來表征其浸潤性，采用微電力學(xué)天平測試樣品表面的黏附力，分析玫瑰花花瓣微觀結(jié)構(gòu)與黏附性質(zhì)的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，表面的微米乳突結(jié)構(gòu)是使玫瑰花瓣具備超疏水性的主要原因，而納米折疊結(jié)構(gòu)則是導(dǎo)致玫瑰花花瓣具有高黏附力的關(guān)鍵因素。以玫瑰花瓣為模板，利用聚乙烯醇和聚苯乙烯進(jìn)行兩步復(fù)形方法可以得到類玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)的高黏附性的超疏水膜。同時，還發(fā)現(xiàn)百合花和葵花等花瓣的仿生結(jié)構(gòu)也具有超疏水、高黏附特性[10]。為了探究影響?zhàn)じ叫缘囊蛩?，美國俄亥俄州立大學(xué)的Bhushan課題組[11]通過兩步復(fù)形和表面蒸發(fā)蠟質(zhì)的方法成功制備出了具有黏附性差異的超疏水膜層，發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)密度和高度值對玫瑰花瓣和仿生人工超疏水性表面的黏附性有很大的影響。不只是植物表面，生物界的許多動物表面也表現(xiàn)出超疏水的特點(diǎn)，如蝴蝶翅膀表面(圖2)的納米級及微米級幾何形貌構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)[12-13]，以及蜻蜓翅膜蠟質(zhì)柱表面的凹槽刻紋結(jié)構(gòu)。吉林大學(xué)的任露泉課題組[14]針對蜻蜓翅膀的自清潔特點(diǎn)進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究，揭示了蜻蜓翅膀的形態(tài)、構(gòu)形、結(jié)構(gòu)、材料等與其功能特性之間的內(nèi)在關(guān)系。

圖2 蝴蝶表面的分層織構(gòu)[12-13]Fig.2 Laminated structure of butterfly surface[12-13]

1.2 超疏水性表面制備及應(yīng)用

超疏水性表面的制備研究已進(jìn)行了幾十年，一般來說，微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的制備手段是相同的，如模板復(fù)制、刻蝕、沉積和自裝備等都被用來制備超疏水表面[15]。其中，模板復(fù)制方法因其能夠控制表面形貌和結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用，其可以制備出不同高度和面積的圓柱形、方柱形、星形凹坑、正方形、凹坑形微織構(gòu)[16-18]。通過在硅表面復(fù)制環(huán)氧樹脂纖維圖案可制備出微米、納米以及分層結(jié)構(gòu)的超疏水性表面，納米尺寸的結(jié)構(gòu)通過自組裝烷烴而擁有分級的雙尺寸結(jié)構(gòu)[19-21]。利用溶膠-凝膠法和水熱法首次制備超親/超疏水的微米級圖案，在玻璃片表面制備粗糙氧化鋁膜層，然后提拉覆蓋一層氧化鈦膜層，使膜層具備超疏水性[22-23]。不僅如此，還可以用陰極電沉積法制備氧化鋅納米柱膜層，接著利用選擇性區(qū)域光照獲得超親/超疏水圖案[24-25]。但這些制備手段并不是彼此孤立的，有時，為了得到所需要的超疏水表面可能需要幾種方法聯(lián)合，在超疏水表面制備的過程中最重要的原則是使制備過程盡可能簡單。

除了模仿植物的結(jié)構(gòu)來制備超疏水表面并對其分析，還有研究者從模擬的角度入手來研究液滴撞擊表面的動力學(xué)原理。通過模擬研究不同表面潤濕性、柱狀分布及撞擊速率下液滴在Cassie狀態(tài)的動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)小的后退接觸角意味著小的接觸角滯后性使接觸平面難以移動繼而導(dǎo)致液滴擴(kuò)展[26]。同時，通過改變表面能繼而使表面從超疏水性變?yōu)槌H水性引起研究者們的廣泛興趣，主要通過電潤濕、光、X射線散射、動態(tài)效應(yīng)、疏水界面等綜合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超疏水性向超親水性的轉(zhuǎn)變[27]。

表面的疏水性不僅能夠顯著地影響毛細(xì)黏附力，繼而影響固體表面滑動接觸的摩擦和能量消散，而且還能夠起到節(jié)約能源和儲能的作用。因此，對自然界的生物表面進(jìn)行觀察，分析并制備具有仿生結(jié)構(gòu)的超疏水性表面一直是仿生學(xué)的研究熱點(diǎn)之一，希望探索出更有效的制備方法并將其應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域。

2 仿生減阻表面

很多生活在海水中的生物雖然受到水的阻力，但是卻能以較低的能量輸入在水中長時間輕快地自由移動。魚類表面能夠減少阻力，這一現(xiàn)象很早就被人們認(rèn)識到，并且模仿其形狀應(yīng)用到實(shí)際中。近幾十年來，人們模仿魚類減阻的功能，將其應(yīng)用到如車輛、飛機(jī)、輪船和運(yùn)輸管道等工程中，但是仿生魚類減阻大多數(shù)都需要額外的能量輸入和復(fù)雜的裝備[28-30]。因此，研究魚類表面的形貌和減阻機(jī)理十分必要。

2.1 仿生減阻表面形貌

眾所周知，減阻功能在輪船和飛機(jī)的設(shè)計中是非常重要的。減阻設(shè)計是一種節(jié)約能源的有效方法，但是很多減阻設(shè)計在工程應(yīng)用中都有其自身的局限性。模仿鯊魚表面的條紋仿生織構(gòu)，并研究其減阻功能受到人們的關(guān)注。普遍認(rèn)為，鯊魚表面覆蓋著與流動方向平行的條紋，能夠降低鯊魚表皮的磨損，這種表面形貌給人們帶來啟示的現(xiàn)象被稱為“鯊魚效應(yīng)”。條紋形顯微結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理使其能夠改變流動區(qū)域的分布并且降低剪切應(yīng)力[31]。根據(jù)仿生學(xué)理論，許多減阻的研究方法應(yīng)運(yùn)而生，在表面制備條紋織構(gòu)[32-33]和其他的非光滑表面，如凹坑形、波紋形、鱗片形等[34-35]，被認(rèn)為是最適合應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域的方法。除了鯊魚表面的條紋形結(jié)構(gòu)，仿生學(xué)領(lǐng)域?qū)︳~鱗表面形貌的研究也較為廣泛。對魚鱗表面的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，直徑5～10μm、深度1～3μm的顯微凹痕不均勻地分布在魚鱗表面，這是魚類在游泳時能夠減少阻力的主要原因，為了驗證魚鱗表面凹痕的減阻功能，通過涂層技術(shù)模擬制備魚鱗形的顯微織構(gòu)，用實(shí)驗測試有無凹痕表面的摩擦力，并聯(lián)合數(shù)值模擬計算流體動壓的方法來分析魚鱗形貌的減阻效應(yīng)。實(shí)驗方法和數(shù)值模擬的結(jié)果均表明，相對于光滑表面，有顯微織構(gòu)的表面有較好的減阻效應(yīng)(圖3)。表1為對比于光滑表面的仿生表面減阻百分比[36]。此外，鱉魚皮表面也具備溝槽形的非光滑形貌。Frohnapfel等[37]研究了鱉魚皮表面，并將鱉魚皮表面溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，發(fā)現(xiàn)刃形表面減阻效果最好，且溝槽之間的湍流消散率對于最后的減阻效果有較大的影響。

圖3 仿生表面與光滑表面摩擦阻力差異[36]Fig.3 Difference of frictional drag reduction between bionic surface and smooth surface[36]

表1 仿生表面相對于光滑表面的減阻百分比[36]Table 1 Drag reduction percentage of bionic surface compared to smooth surface[36]

2.2 減阻機(jī)制及應(yīng)用

很多學(xué)者對鯊魚表面的減阻機(jī)理進(jìn)行了分析研究，由于鯊魚在游動時具有相對較高的雷諾數(shù)，所以紊流就會發(fā)生，皮膚的阻力即外圍的剪切應(yīng)力一般來說不受表面粗糙度的影響，但在鯊魚表面縱向的鱗片相對于光滑表面具備更低的外圍剪切應(yīng)力。鯊魚表面的條紋形貌能夠同時以多種方式減少渦流的形成：開槽的條紋能夠引導(dǎo)水的流動方向、加速水在物體表面的流動速率，同時，能夠使快速流動的水到達(dá)物體表面，減小了速度的差異[38-40]。Tian等[41]用數(shù)值模擬的方法對仿生幾何形貌減阻的機(jī)制進(jìn)行研究，得到了相似的減阻機(jī)制，該實(shí)驗是在低速風(fēng)的洞穴中進(jìn)行，非光滑表面形貌降低了邊界層的速度、紊流，同時使邊界的動力層變薄。

鯊魚表面的仿生織構(gòu)研究已經(jīng)被應(yīng)用到實(shí)際的工程領(lǐng)域?；跅l紋結(jié)構(gòu)減阻的特點(diǎn)，鯊魚條紋安全觸摸的理念被提出，其是一種防護(hù)細(xì)菌污染的新方式，被證明能夠阻止80%的細(xì)菌污染，這種表面結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于易感染細(xì)菌的領(lǐng)域，如衛(wèi)生間，門把手等[42]；由鯊魚表面形貌激發(fā)的減阻作用已經(jīng)被應(yīng)用到泳衣材料中。泳衣緊貼運(yùn)動員的身體，由于其挨著皮膚的湍流潤濕作用和減阻作用使運(yùn)動員擁有較大的優(yōu)勢[43];此外，仿生減阻功能還被應(yīng)用在航天領(lǐng)域，如在飛機(jī)機(jī)翼制備條紋形形貌可以減小空氣阻力，節(jié)約能源。因此，仿生減阻功能表面的制備及機(jī)理還需要做進(jìn)一步的研究，賦予其更多的工程應(yīng)用價值，以達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的作用。

3 仿生減摩表面

對于仿生織構(gòu)化摩擦學(xué)的研究開展得比較深入。通過對蜣螂等動物體表的研究發(fā)現(xiàn)，這些生物之所以具有良好的抵抗磨損的性能，是因其表面具有非光滑的幾何形貌。而對于機(jī)械零件來說，改善其摩擦學(xué)性能對于延長其壽命至關(guān)重要，因此很多學(xué)者將織構(gòu)化圖案應(yīng)用在零件表面，并對其減摩機(jī)制進(jìn)行研究，其中，織構(gòu)化自身的參數(shù)(如形狀、間距、密度、深度等)均對摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響。

3.1 織構(gòu)化圖案減摩機(jī)理及影響因素

表面織構(gòu)能夠減摩的主要原因：在干摩擦條件下，表面織構(gòu)能起到容納磨屑、增加接觸面積的作用，改善因磨粒造成的磨損；在流體潤滑作用下，由于摩擦副的相對高速運(yùn)動，無織構(gòu)表面的潤滑油會被甩出，且產(chǎn)生的磨粒會增加表面的磨損，而織構(gòu)化表面能起到存儲潤滑油的效果，在一定程度上補(bǔ)給潤滑油，對摩擦副提供持續(xù)潤滑，進(jìn)而改善摩擦副的潤滑狀態(tài)，提高摩擦性。很多研究者從不同的角度對表面織構(gòu)化的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)的幾何參數(shù)主要影響物體表面的摩擦性能。幾何參數(shù)包括織構(gòu)大小、表面形狀、間距、深度、面積及密度等，其中，織構(gòu)尺寸和深度的比值以及表面織構(gòu)的分布對摩擦性能的影響較大。如采用局部織構(gòu)可比全面織構(gòu)提高耐摩擦磨損性能，同時可降低織構(gòu)成本[44]。為了對比不同溝槽寬度、不同載荷下有無織構(gòu)表面的摩擦學(xué)特點(diǎn)，對316L不銹鋼溝槽型織構(gòu)的摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究，分析了其摩擦學(xué)系數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)不同溝槽寬度的表面織構(gòu)摩擦副的減摩性能有顯著差異；對于溝槽寬度來說，存在減摩特性最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值[45]；微凹坑相對位置變化對表面減摩具有很大的影響，選擇合適的微凹坑相對位置形式可以進(jìn)一步提高表面織構(gòu)的減摩性能[46]；同時，通過實(shí)驗和數(shù)值模擬研究了混合流體潤滑條件下微織構(gòu)的摩擦學(xué)性能，利用模擬手段預(yù)測了在外加載荷不變的情況下降低表面磨損的織構(gòu)參數(shù)，然后用實(shí)驗方法驗證發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗結(jié)果符合模擬的趨勢，合適的深徑比能夠有效提高表面的摩擦學(xué)性能，與光滑的表面對比發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化表面能夠降低80%的磨損量[47]。影響織構(gòu)化減摩性能的參數(shù)較多，因此，需要更加深入地研究各個影響因素減摩的機(jī)理，從而制備最優(yōu)化的織構(gòu)化圖案。

3.2 仿生織構(gòu)化表面改性的應(yīng)用

仿生織構(gòu)化減摩性能被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)硬盤、軸承、機(jī)械密封等領(lǐng)域，同時也發(fā)展了很多制備織構(gòu)的方法，如離子刻蝕、化學(xué)刻蝕、激光加工技術(shù)等，其中，激光加工技術(shù)是近期發(fā)展起來的，因易操作、無污染、不改變材料的化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

激光過程可以對多種材料實(shí)現(xiàn)織構(gòu)化處理。Bathe等[48]和Teker等[49]利用Nd:YAG脈沖激光對100Cr6鋼表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，制備圓形及網(wǎng)格形表面織構(gòu)，研究了不同織構(gòu)密度對材料摩擦性能的影響；Chen等[50]在3Cr2W8V，H13和HD三種材料表面制備不同間距的條紋織構(gòu)，并與光滑表面對比，考察磨損量的變化，研究發(fā)現(xiàn)，與光滑表面相比，有條紋織構(gòu)的表面磨損量較小，織構(gòu)表面的耐磨性隨著條紋間距的增大而降低，并且發(fā)現(xiàn)HD的耐磨性是三者中最好的(圖4)。為了得到性能優(yōu)異的表面，通常會聯(lián)合多種制備方法在材料表面制備織構(gòu)化圖案，Dobrzanski等[51]用脈沖激光方法在太陽能電池多晶硅表面制備織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)激光處理后，加工過的材料的頂層產(chǎn)生很多缺陷，破壞了太陽能電池的性能。為了減少激光后處理帶來的缺陷，提高太陽能電池的使用效率，利用激光處理和化學(xué)刻蝕聯(lián)合作用能夠有效提高多晶硅太陽能電池的使用效率。同時，國內(nèi)很多學(xué)者也將織構(gòu)化圖案與其他方法聯(lián)合來研究材料的減摩性能。清華大學(xué)的邵天敏課題組[52]將織構(gòu)化圖案與固體薄膜相結(jié)合，對其作用機(jī)理及制備方法進(jìn)行了深入的研究，并對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)與展望。

圖4 不同間距條紋織構(gòu)的磨損量[50]Fig.4 Wear mass loss of different groove distances[50]

此外，研究者還通過改變不同的激光參數(shù)來研究不同密度、不同直徑及深度的織構(gòu)化圖案對涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響，Costil等[53-54]研究了激光的頻率、脈沖次數(shù)及能量對織構(gòu)化深度及直徑的影響，織構(gòu)化圖案表面的掃描圖片如圖5所示。并研究了織構(gòu)化表面的圓形凹坑深度、表面粗糙度及韌度隨著脈沖次數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)凹坑深度及韌度會隨著脈沖次數(shù)的增加而增加，而粗糙度會有所下降，如圖6所示[53]。但是對于織構(gòu)化圖案與涂層的相互作用仍有待于進(jìn)一步研究。

圖5 激光功率17.3W、頻率20Hz下織構(gòu)化界面圖[53-54]Fig.5 Optical microscopy of textures interface with P=17.3W and 20Hz[53-54]

圖6 凹坑深度、表面粗糙度及韌度隨脈沖次數(shù)的變化[53]Fig.6 Evolution of the depth of the hole, surface roughness and toughness as a function of the laser power [53]

綜上，基于仿生原理的幾何構(gòu)型及其功能性的研究具備相同的研究思路。即以自然界的生物為原型，研究其在生物環(huán)境中因表面的幾何構(gòu)型而具備的特殊功能，并模仿提取圖案形狀，在材料表面制備，進(jìn)行實(shí)驗研究，探索其具備特殊功能的機(jī)理。但是，不同功能性的研究具備各自領(lǐng)域的特點(diǎn)，如表2所示。

表2 不同功能性仿生圖案對比Table 2 Contrast of bionic patterns with different function

此外，通過仿生學(xué)的深入研究，不僅將仿生圖案應(yīng)用于改變材料表面的疏/親水性、減阻能力、減摩耐磨性，還將其應(yīng)用于光學(xué)設(shè)計、納米材料制備、納米圖案設(shè)計、節(jié)能環(huán)保材料制備、高強(qiáng)度材料和纖維的制備、自愈合材料的制備等。

4 結(jié)束語

仿生學(xué)已經(jīng)在節(jié)約資源、提高材料壽命、解決工程領(lǐng)域的難點(diǎn)等方面發(fā)揮有利的功效。雖然基于生物功能的仿生織構(gòu)化研究已經(jīng)取得較大成就，但是關(guān)于其制備方法及機(jī)理的研究還有待進(jìn)一步發(fā)展：(1)仿生學(xué)理論的系統(tǒng)研究。生物生存環(huán)境的復(fù)雜導(dǎo)致影響其功能的因素很多，因此為理論研究提供了一定的難度，應(yīng)深入開展影響仿生學(xué)功能的單一因素與多因素,并從多因素中有效提取主要因素。同時，仿生學(xué)及其功能性應(yīng)用涉及自然學(xué)與工程學(xué)等多學(xué)科的交叉與融合，需要完善仿生理論研究體系，以促進(jìn)仿生學(xué)理論的深入發(fā)展；(2)深入開展仿生模擬技術(shù)。當(dāng)前的研究方法多為對生物所具備的功能進(jìn)行研究，繼而對其表面形貌進(jìn)行觀察，然后模仿生物形貌，最后實(shí)驗驗證的思路，但是由于實(shí)驗方法的局限性及實(shí)驗過程存在一定的誤差，導(dǎo)致反饋的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。并且，仿生圖案種類繁多，圖案自身的參數(shù)也較多，通過大量實(shí)驗優(yōu)化為仿生學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持，會導(dǎo)致材料及能源的浪費(fèi)。因此，深入開展仿生模擬技術(shù)，將仿生模擬與理論研究有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)仿生圖案的調(diào)控與主動控制；(3)創(chuàng)新研究仿生圖案制備方法與測試設(shè)備。微納加工技術(shù)、生物和信息技術(shù)的進(jìn)步，推動了仿生圖案加工技術(shù)以及功能測試方法的進(jìn)步。但是鑒于生物生存環(huán)境的復(fù)雜性，使得現(xiàn)有的測試設(shè)備不足以滿足模擬真實(shí)環(huán)境的需求，所以測試設(shè)備的研制成為仿生學(xué)深入發(fā)展的迫切要求。同時，生物的多樣性導(dǎo)致多維度、多尺度的仿生圖案的加工成為未來發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)有的圖案加工方式主要為化學(xué)方法及激光加工，但是化學(xué)方法會導(dǎo)致材料性質(zhì)的變化，而激光加工的深度不能實(shí)現(xiàn)精確控制，如何實(shí)現(xiàn)不改變材料性質(zhì)的精確加工與多維度圖案加工將是仿生圖案制備的一個難點(diǎn);(4)仿生圖案的耦合技術(shù)。自然界的生物種類多種多樣，實(shí)現(xiàn)生物不同功能的仿生圖案復(fù)雜多樣，尺寸跨度也很大，從毫米級別到微米級別甚至到納米級別，如仿生疏水圖案多為納米尺寸，而仿生減摩圖案多為微米級尺寸，研究不同形狀、不同尺度的仿生圖案的耦合作用將成為仿生功能圖案發(fā)展的必然趨勢。應(yīng)深入開展宏觀與微觀圖案耦合技術(shù)，及不同形狀圖案的耦合技術(shù)的研究以實(shí)現(xiàn)仿生圖案的多功能性。此外，仿生圖案既可實(shí)現(xiàn)增摩性又可實(shí)現(xiàn)減摩性，既可實(shí)現(xiàn)親水性也可實(shí)現(xiàn)疏水性，為揭示其規(guī)律需從理論與實(shí)驗技術(shù)方面同時研究，利用多學(xué)科理論的耦合、多種加工技術(shù)的耦合、材料與圖案的耦合進(jìn)行深入而全面的研究。

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