摘要：在生物进化的几亿年中，“优胜劣汰，适者生存”的生物进化选择出了最适合生存，具有卓越特性和功能的生物结构。大自然的独特结构给研究开发新型材料提供了思路和借鉴。仿生材料是在模仿生物特性构造和构效关系，建立起来的模仿生物构造或者受生物启发而制造出来的新型功能材料。文章介绍并且分析了当前仿生材料在建筑学领域的研究进展，并列举了应用实例。
关键词：仿生材料；大型建筑；发展与应用
1仿生材料的研究进展
受动物、植物、微生物等的启发创造新工具的历史由来已久，而仿生的发展史可追溯到远古时代，在中国古代就有了鲁班发明锯子的神话故事，古人从荷叶中得到了启发发明了遮雨伞具。仿生材料是借鉴生物体的组织、器官、结构和功能的自适应、自清洁、自感知等功能，经过对生物原型的构造和功用进行剖析抽解，通过数学模拟，用数学方式表达生物的构造进行实物模拟，得到具有生物体原型的独特功能的产品。仿生材料具有原型生物体的优良特性，并具有广泛的应用价值，目前常用于建筑、医学、文物保护、环境保护等领域。
2建筑仿生材料的简介
建筑仿生学是以某些生物的组织和形态特征为研究对象，对某一结构功能进行处理，形成建筑的结构组成。建筑仿生按照内容主要可以分为：形态仿生、结构仿生、功能仿生和材料仿生4类，其中包含的内容十分丰富。对于科学、绿色、生态、可持续发展理念高度普及的今天，人们越来越重视材料的高性能、低成本、高效率、低污染等，材料仿生领域得到空前的发展，应用前景广阔。仿生建筑材料是仿照生物躯体的组织、颜色、生态特征等天然生态的法则，结合建筑和环境的特点，研究出高效的材料满足人们高效率生产、高品质生活的需要。近年来，大量新型建筑材料应运而生，其中许多建筑材料基于生物的组成特征，获得高强度高韧性等优良性能，创造了巨大的经济价值。
3建筑仿生材料的应用
大型工程采用混凝土、钢材、复合材料、智能材料等，对环境中的温度、湿度、酸碱度等有严格要求。以桥梁建筑为例，其基础材料需要解决以下问题：在长期深水浸泡下保证结构性能，保证全天候运行，保证材料在长期可变荷载下的耐受性，需要满足突发风暴下的抗剪等强度要求。除了上述性能要求之外，建筑物长期裸露在环境空气中，面临着空气、雨雪、风沙等的影响，以及空气中的微小颗粒物污染建筑物表面，影响建筑物的外观，影响人们的使用感受等。仿生建筑材料能够很好地解决上述建筑结构所面临的问题。
3.1结构骨架材料
建筑与结构是不可分割的，建筑的形式往往通过建筑结构来体现，除了结构本身作为一种建筑艺术的表达之外，建筑的结构也决定了建筑的受力大小以及分布，进而决定其性能。对于不同高度的建筑来说，需要考虑的因素也略有差异，高层建筑需要更加稳定的地基，对于墙体材料的强度和韧性也有更高的要求。仿生结构骨架材料有更合理的内部力，更高的强度和韧性以及自我记忆修复能力等优势，现已在各类建筑范围得到应用。在现有的建筑体系中，常常能够发现骨架结构，这些结构犹如生物体的骨骼，由结构形态到内部静力平衡。在自然这伟大的造物主所创造的生物结构往往比人类高明许多，在这些生物体上进行学习、深入研究模仿进而创造出更加优良的材料为人类所用，丰富建筑的功能，弥补传统建筑的缺陷。人们受到木材的优良韧性、轻质高弹的启发，研制出大量的纤维材料。美国、澳大利亚、印度、日本均在相关领域取得了卓越的成效。在我国，刘林研究了天然丝瓜络材料的缓冲性能，建立了丝瓜络仿生模型，并完成制备。洪梓榕设计了一种五自由度的仿生机械臂。借鉴骨骼的自我修复，自我愈合能力，宾夕法尼亚大学提出了修复金属的方法，此方法制备的金属材料能够在室温下短时间内复原，且修复后获得更高的强度性能。以上方法为获得更加高效的仿生建筑结构材料提供了参考。
3.2填充材料
建筑的发展对于墙体填充材料提出了：节能环保，保温隔音，轻质高强等新要求。研究者从蜜蜂的蜂巢中获得灵感，制造出具有隔热隔音又轻质美观的蜂窝泡沫混凝土等。陈建波等开发出以皂粉、界面剂N等为主要组分的复合发泡剂，通过发泡剂的作用，使得混凝土内部产生微小空隙，得到密度不同的蜂窝混凝土砌块，并增强其防火性能。
3.3表面涂覆材料
水工建筑作为建筑行业的重要部分，在发展国民经济和防治水灾水患等方面发挥了巨大的作用。挡水建筑物是水工建筑物的一部分，其提高了上游水面的高度，形成巨大的水头压力，水流会对挡水建筑物造成巨大的渗透压力，逐渐侵蚀挡水建筑物，影响其安全性和功能。渗漏是水工建筑物如坝、闸和堤防等所面临的影响其安全稳定性的最大方面，如今国内外经常使用的防渗施工技术有高压灌浆堵漏技术和促凝灰浆堵漏技术等。这些措施虽然在一定时期针对一定水土条件，能够起到一定的防渗效果，但技术和施工要求较高，且耐久性相对不足。通过使用仿生超疏水材料，水工建筑物的抗冻耐寒性能将会得到显著提高，抗污性能且能够减少水流粘滞造成的水力损失。
3.3.1仿生超疏水材料
的机理超疏水材料的普遍定义是表面水接触角度＞150°的材料。疏水性能的表现为不浸润性，影响固体表面润湿性的因素主要有：首先是表面的能量，如自由能；其次是表面的微观结构。
3.3.2仿生超疏水材料的制备方法
相关的制备思路主要有：一是利用各种物理化学方法，提升疏水物质表面的粗糙度；二是通过涂覆物质或着化学接枝降低粗糙的表面的自由能，如等离子体接枝等技术。吉海燕等采用刻蚀法制得了超疏水性的玻璃，王志博通过对SiO2进行氟化，增强其耐冻性能，该研究可以用在水工建筑物的表面以提升整体抗冻性能。马衍轩等发明了水利工程的劣化免疫仿生防护涂层及其制备方法，从物理和化学2个方面保障混凝土。李治军提出在寒区土石坝中的土工膜上构建微纳米仿生超疏水面，将仿生超疏水层放置在平整层之后，可以克服仿生超疏水层的耐久性不良的问题。
4未来展望
建筑仿生材料的实验研究中提出的设计思想不断充实，基本理论不断完善，但由于仿生建筑材料的大部分研究还处于在实验室阶段，由实验室向工厂生产仍有许多问题需要解决。如何提高其耐久性也是接下来需要研究的一个重点。仿生建筑材料的制备及应用正进行一场空前未有的变革。
作者：张天琪 单位：四川农业大学 水利水电学院