生物仿生學正在塑造各種領域的可持續設計和創新。毛刺（左上）啟發了尼龍搭扣，翠鳥（右上）為日本著名的子彈頭列車的設計提供了參考，并有助于為渦輪機葉片引導進風，從螳螂蝦（左下）中得到的啟示正在生產更耐用的材料，津巴布韋的一個辦公大樓的內部氣候控制系統最初受到白蟻丘結構的啟發（右下）。

在自然界38億年進化的支持下，生物啟發設計在功能化材料和復雜的優化結構中顯示出其優勢。它們在復合材料制造領域特別有用，諸如剛度、耐破壞性、抗疲勞性、導電性、自愈性和粘合性等特性，往往是人們所追求的，但并非總是容易結合。然而，也有一些例子。想想風輪機葉片，其鋸齒狀的前緣模仿鯨魚鰭的小瘤以改善空氣動力學。或者今天大多數商業飛機機翼上的鯊鰭小翼，其靈感來自大白鯊的背鰭。

幾千年來，人類一直從大自然中獲取設計線索。達芬奇早期飛行圖導致了降落傘、尼龍搭扣和子彈頭列車的發明，這些都是受生物啟發的、人類制造結構和部件的幾個例子，它們跨越了時代。然而，直到20世紀60年代末，美國學者和發明家Otto Schmitt才提出了生物仿生學的概念。Janine Benyus在她1997年出版的《生物仿生學：受自然啟發的創新》一書中進一步普及了這一概念。Benyus也是生物仿生研究所（美國蒙大拿州米蘇拉市）和生物啟發咨詢公司Biomimicry 3.8（前身是生物仿生協會）的共同創始人。

仿生學，或稱生物仿生學，通常被定義為以生物實體和過程為模型的合成材料、結構和系統的設計和生產。雖然有些定義將生物仿生學描述為 "模仿 "或 "復制 "自然的一種方式，但其真正的意圖是模仿--利用在自然界觀察到的結構來指導和改進人造產品。還有一種做法是將生物材料（如生物衍生的天然纖維）應用于合成系統，以實現生物仿生特性。

作為一種跨學科的方法，生物仿生學可以并且已經應用于諸多領域，特別是因為可用的多樣化和復雜的生物系統數量眾多。復合材料行業在這一領域擁有自己的一手也就不足為奇。在自然界中發現的許多東西已經包括兩種或多種組成材料之間的結合--例如木材和昆蟲角質層--使得纖維增強復合材料非常適合生物模擬。

在這篇文章中，介紹了一些案例研究，強調了生物仿生學是如何被應用于復合材料設計的。

設計生物學概念時的考慮因素

Anisoprint公司（盧森堡）的首席執行官Fedor Antonov說，在許多情況下，大自然向我們展示的材料是各向異性的。因此，它們就像許多纖維增強復合材料一樣，在不同的方向具有不同的特性。像木材、蒼蠅翅膀和某些睡蓮花瓣這樣的結構已經發展出優雅的、負載優化的結構，以應對生存的環境。我們在自然界看到的是活組織、活材料，所有這些實際上都發展成了多尺度的分層復合材料。在這里，Antonov指的是由纖維素和膠原蛋白（一種蛋白質）等纖維組成的自然結構，但在每個幾何尺度上，從納米到宏觀，以不同的方向組織，以高效的方式實現高水平性能和/或多功能。Antonov繼續解釋到，從自然界角度來看，一切都受最小能量原則支配，所以建造沉重和需要大量能量的結構是沒有意義的。

合成工程材料（如復合材料）和天然材料的設計策略有一些明顯的不同。生物結構的建造受到直接可用資源的限制--如氫、碳、氮、氧、磷和硫等輕質元素--而工程材料有更廣泛的元素可供選擇。雖然由此得出的自然結論是，更多的多樣性意味著更多模仿生物設計和過程的能力，但在現實中，這可能變成一種障礙，因為工程材料并不總是能夠以同樣的方式使用某些元素。大自然也無法利用高溫/高壓加工技術來制造其結構，至少不會很快（煤和鉆石需要千年時間）。相反，與合成材料加工不同，生物結構是在溫和的條件下（環境溫度和壓力）產生的。這些考慮常常影響人類對自然界中的發現的層次結構的模仿。

人類努力建造堅硬、強大、壽命長的復合結構以抵御損傷，而生物體使用的元素和過程--更多的是為了生存和再現性而組織--實際上是通過穩定的裂紋擴展和/或自我修復機制來允許和控制損傷。這并不是說自然界更簡單--相反，它最大限度地利用現有材料，用最少的能量和資源創造出具有獨特機械、熱和/或光學特性的驚人復雜結構和系統。這確實是復合材料目前尋求改善可持續性的一種方法。

材料的制造方式，無論是自然的或是機械的，都會影響到設計。自然界是由材料和有機體通過自我組裝同時生長的，在這個過程中，無序的組件系統根據每個組件之間特定的、局部的相互作用形成了有組織的結構/模式。此外，即使在生產之后，這些結構也能夠根據環境變化重塑和調整其層次結構。例如，植物能夠根據棲息地的溫度，在結構上調整與儲水、遮蔭和抵御捕食者有關的機制。

另外，工程師必須選擇一種材料，然后根據設計中規定的參數制造零件，而且結構必須在其使用壽命中滿足所有環境應力而不改變。工程師的生產環境要求也不同;自然界不像工業那樣關心速率、成本和產量。

上面提到的分級設計在自然界中很常見。它涉及一個從納米到宏觀的不同層次的排列系統，每個層次提供自己的一系列功能——通常使用一種單一的材料，在每個層級的組織方式不同。多年來，人們在分層復合材料領域投入了大量的研究工作，無論是調整其化學成分還是改進其微/納米級結構。珍珠巖，通常被稱為珍珠母，是生物分層復合材料的一個例子，它吸引了復合材料界的興趣超過20年，為增強抗斷裂性的輕質復合材料的設計提供了強有力的指導方針。由于其重疊設計的結果，珍珠巖顯示出了一種特殊的強度和非災難性斷裂行為的特殊組合，考慮到其主要成分是脆性碳酸鈣，這是出人意料的。

即使有了這個例子，我們對分層復合的理解仍然處于早期階段。與自然相比，它仍然代表著我們在復合材料設計方面的不足，影響了人類應用生物設計原則的能力。

例如，代爾夫特理工大學(Netherlands)生物靈感復合材料增材制造的副教授、塑造物質實驗室創始人Kunal Masania說到，當你開始制造高性能復合材料時，你擁有的基本構件是一根7微米的碳纖維。在那里，你可以改變設計，以任何你想要的方向，用樹脂填充……但天然材料，他們是在納米尺度上工作，所以它是小三個數量級。大自然傾向于在這種規模上工作，因為驅動生產的是生物過程，構件是由活細胞組成的。

像木材或骨骼的結構，雖然分子簡單，但結構更復雜，因此仍然難以模仿。木材纖維也就是纖維素纖維，是中空的。纖維沿著應力的方向移動，也與木紋橫向。所以你有原始的木材纖維，但你也有纖維連接所有的纖維，所有的纖維在細胞上有小洞，稱為“坑”，它們彼此連接。它們的整個結構完全相互滲透，復制這一點是一個巨大的挑戰。

塑造物質實驗室是代爾夫特理工大學航空航天工程學院的一個跨學科研究小組，專注于三個關鍵領域研究：生物靈感復合材料(即應用自然設計原則創建合成材料)；用活細胞和生物材料等原料生物合成復合材料；分層復合材料的數字化制造--使用數據為增材制造(AM)過程提供信息。

在過去的50年里，我們復合材料行業一直在試圖弄清楚如何使它們(復合材料)更容易理解，更可靠，Masania說到。現在，除了增加更多類似生命的功能外，考慮壽命終結、和使復合材料循環利用變得更加重要。他指出，熱塑性復合材料、可回收環氧樹脂和多功能復合材料已成為當前效率和可持續性相關研究的焦點。他認為，我們正在接近可以被行業廣泛采用的新解決方案。

為了實現生物合成復合材料，Masania團隊使用現有的大宗天然材料，如木材或天然植物纖維，制造出半成品，然后加工成結構性復合材料。他說，通過這種做法，復合材料的剛度可達70 GPa，強度可達600 MPa，比傳統的金屬和玻璃纖維復合材料更好，在未來更可持續。Bcomp公司(瑞士)在汽車零部件中使用亞麻天然纖維，Bambooders公司(荷蘭)采用可持續的方法用竹子制成生物基技術纖維，這些都是應用實例。