仿生纺织品与服装yd13907
陈丽华 北京服装学院服装艺术与工程学院,北京100029
收稿日期：2010-08-05
作者简介：陈丽华(1962-)女，教授 联系电话：010-64288160
原载：北京服装学院学报2011年1月;71-76
【摘要】对目前国内外研究开发的仿生纺织品与服装进行了综述，包括仿生功能纺织品与服装，智能仿生纺织品与服装。详细介绍了各类仿生纺织品与服装的仿生原理、主要产品及其应用。
【关键词】仿生纺织品；仿生服装；功能纺织品；智能纺织品
【中图分类号】F273.1 文献标志码：A 文章编号：1001-0564(2011)01-0070-07
仿生纺织品与服装是指模拟自然界生物体(包括天然纤维和自然界生物)的结构、形态或模仿其独特的功能而开发的具有某种特殊性能的纺织品与服装。人类对自然界生物体的模仿具有悠久的历史。化学纤维的发展和仿生学就有很大关系。最初，人类模仿蚕吐丝成功制造了人造纤维；二十世纪以来，人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法；通过剖析棉、毛、丝等天然纤维的形态结构，运用仿生学原理，研究开发了各种异形纤维、细旦纤维、中空纤维及复合纤维等。纺织制品的发展与仿生学也不无关系。被称为纺织工业中“朝阳产品”的非织造织物，其对仿生学原理的应用可追溯到比机织物和编织物发展历史还要早的毡制品[1-2]。古代游牧民族利用动物纤维的缩绒性发明的制毡技术的延伸与发展，诞生了现在的针刺法非织造布[3]。早在7 000年以前，中国就已能将野蚕驯养和纯化成家蚕，蚕丝直接成网的抽丝制绵技术，启示了当今纺粘法非织造布的诞生。近年来，模仿天然麂皮，利用超细纤维制造的“人造麂皮”，满足了人们对天然皮革的需求[4]。
随着科学技术的迅猛发展，高性能、多功能、智能化的纺织品与服装在21世纪将得到迅速发展。本文对目前国内外研究开发的主要仿生纺织品与服装的仿生原理、主要产品及其应用进行分析与介绍，以期为我国仿生纺织品与服装的开发与研究提供一定的参考。
1 仿生的功能纺织品与服装
1.1 光显色纺织品
自然界生物展现出的绚丽色彩或是源于生物本身所具有的颜色，或是由于光线射人生物体表面特殊结构，经折射后显现出的颜色。通过对自然界的生物结构和发光机理进行研究，模拟其表面结构，运用光的反射、折射、干涉及散射等光学原理，人们开发出光显色纤维。
1.1.1 多重螺旋纤维和多层纤维
生息在亚马逊河流域的一种被当地人称为“蓝蝶”的蝴蝶(亦称为闪蝴蝶)，其本身并没有蓝色素，却周身闪烁着美丽而神秘的钴蓝色金属光泽[5]。对蓝蝶发光原理和其翅膀形态结构的研究发现，蓝蝶翅膀上的鳞片相距0.7 µm整齐平行地排列着。当光线射在鳞片上时，大部分入射光进入鳞片间的狭缝，在狭缝的壁内不断反射、折射、干涉，并且相互叠加增大幅度，从而产生鲜明的深色光泽。蓝蝶鳞片结构可以增加蓝色光波长的振幅，从而使相应的色彩更加鲜艳、浓郁。
模仿蓝蝶翅膀上的鳞片结构开发的多重螺旋纤维，是采用2种不同热收缩率的聚酯混合，熔融纺丝后进行热处理，每隔0.2～0.3 mm周期性地形成一个扭曲螺旋纤维[6-8]。其织物可使入射光在纤维的平行部与垂直部来回折射，产生金属般的鲜艳闪色光泽，并具有柔软的手感和褶皱的外观，适合制作衬衫、外衣和时尚前卫服装。
日本帝人集团利用纳米技术，模仿其结构，研究开发的多层结构的纤维，借助光的干涉产生不同的色彩，可以是紫、绿和红色。光干涉色彩是纯粹的色调，有金属般光泽和透明性，经过调整使光发生折射可显出蓝色。目前已制得由聚酯和聚酰胺纤维重叠至61层而形成的多层层压结构纱，每层厚度精确控制在0.07 µm。为得到所需要的色彩，可以改变层厚，而且多层部分(芯部分)可用聚酯包覆起来。
1.1.2 超微坑纤维
夜间活动的昆虫中，夜蛾具有惊人的生存能力，它们甚至能够逃过具有超声波射线器官的蝙蝠的追捕。研究发现，夜蛾角膜表面整齐地排列着微细圆锥状的突起结构，这种结构可以能够防止夜晚微弱光反射的损失，使光线穿透角膜晶体，从而使夜蛾能及时地发现危险而逃生。
模仿夜蛾角膜的突起结构开发的超微坑纤维，其表面的微坑通过物理法和化学法形成。物理法是利用低温等离子体处理纤维，化学法是将具有与成纤高聚物折射率类似的、平均粒径在0.1 µm以下的超微粒子均匀地分散在高聚物溶液中，纺成丝后用适当方法溶解去除微粒子，即赋予纤维表面40～50亿个／cm2 微坑的凹凸结构。纤维表面的微坑能够导致入射光呈散射状，从而增加纤维内部对光的吸收，减少光的反射率，因而纤维的色泽加深。超微坑纤维的光散射效应使其织物表面漫反射增强，色彩的深色感增强且十分艳丽，可用于高档的西服及礼服等面料，提高产品的附加值。
1.2 仿生反光纺织品
受萤火虫夜间发光的启发，为了保证夜间行动的安全，科研人员研发出形形色色的反光材料和反光服装。穿着该服装，人们在光线暗淡的夜晚，在能见度很低的大雾中也能够被识别，从而避免危险发生。
美国科学家为登山运动员、探险考察人员开发了表面像萤火虫一样会发光的发光服。它能每时每刻放射出强烈的光线，在黑暗中极易被发现，可以有效保证考察人员的安全。
1.3 仿生疏水纺织品
1.3.1 疏水自洁纺织品
植物的叶子、甲虫的外壳、昆虫的翅膀始终能够保持清洁，主要是由于灰尘很难粘附到它们细小不平、结构化的表面，因此即使是极小的雨水也能将它们清洗干净。人们对荷花叶子的微观结构和荷叶效应机理进行了研究，发现荷叶表面分布着无数“纳米-微米”结构的乳头状突起，凸起间的凹陷处充满空气；而单个乳突上也存在着纳米结构，其表面被许多直径为1 nm的蜡质晶体覆盖，其下表面分布有直径20～50 nm的针状结构纳米粒子。因为蜡质晶体和乳突构成疏水的粗糙表面，乳突将空气封闭于其间，形成许多微小的“空气囊”，当水滴落在这样的粗糙表面上时，水滴不易被叶面吸附，仅在叶面形成水珠，荷叶表面的微细突起使水和叶子表面间的接触面积只有2％～3％ ，两者之间的摩擦力较低，使水滴极易从叶面滚落并带走表面的尘埃。这种微米和纳米结构以及蜡质晶体的互相结合，导致荷花叶子的表面具有极强的疏水性能和自清洁功能。模拟荷叶的纳米级超微结构，人们开发出疏水自洁纺织品。
应用纳米材料对纺织品进行处理，如用氧化钛纳米粒子喷涂在材料表面上，形成微米和纳米相结合的表面结构，使其具超疏水、超疏油的性能；应用等离子体对纺织品表面进行处理，可以改变纺织品表面和化学性质，使其表面形成不规则的微结构，从而具有疏水和自洁特性。采用超细纤维为原料，模仿荷叶结构和功能开发的超疏水纺织品，具有疏水和自洁性能，水滴在微倾斜的织物表面会形成水珠而滚落，在大雨中仍能保持干燥；水滴滚落时能将表面的灰尘等污物冲走，达到自洁作用。这种面料应用在户外运动服装、防护服装、滑雪服、卫生服装或家用纺织品上，具有易保养、清洁方便等特性。
1.3.2 超疏水纺织品
水黾是一种在池塘、河流中常见的昆虫，它能在水面快速移动和跳跃。对其腿部的研究发现，其腿部由取向的针状刚毛组成，在每个微米级的刚毛上存在着复杂的纳米级沟槽，形成分级结构，在其表面形成稳定的气膜，阻碍了水滴润湿，表现出疏水性。
模仿水黾腿表面的微纳米结构，人们已开发出超疏水纺织品。利用纳米技术在织物上植入几十亿个小的细微结构，或令微细结构像胡须样生长在织物表面，将织物覆盖得十分密集而使液体无法渗入。
1.4 导湿透气纺织品
模仿珊瑚的姿态，人们制成异形截面的高导湿快干纤维。
美国杜邦公司开发的coo1-max四沟道(Tefrachanne1)聚酯纤维，具有优良的芯吸能力，可将皮肤上的汗液芯吸传导到织物表面蒸发；日本Kurary公司采用十字形截面聚酯长丝开发的一种仿珊瑚织物，纤维间存在大量的空隙，人体的汗液可通过毛细管沿纤维的沟槽向织物外迁移，增加了服装的凉爽感。
1.5 防水透湿纺织品
人的皮肤可以透过湿气但能防止水份渗入。在一定的水压下防水透湿织物不会被水润湿，但人体散发的汗液蒸汽却能通过织物扩散传递到外界。
Core公司开发的Core-Tex由聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜与织物复合成，具有防水透湿功能。穿着者在剧烈运动后仍能保持身体干爽，主要是由于其微孔尺寸介于水滴和水汽分子之间，水蒸汽可以非常容易地通过织物，而将液态水阻挡在织物外面[9]。该防水透湿织物消除了由于汗液蒸发而产生的冷感。
1.6 保暖增温纺织品与服装
北极熊不怕寒冷，其毛中间为空的管状结构，每一根毛都相当于一根微小的“光导管”。这种“光导管”能让外界的紫外线透入，并把它阻隔在里面[10-12]，再将光能汇集到表皮上转化为热能，并通过皮下血液将热能输送到全身。其毛皮不仅保温性好，而且还有自动增温的作用[13-15]。
科学家模仿北极熊毛的结构，研制出一种质量轻、弹性高、保暖性好的中空纤维。由于纤维的比表面积大，还具有很好的导湿功能，可用于缝制保暖内衣、衬衫、袜、滑雪服、登山服、睡袋及防寒军服等。近几年的冬季奥运会中，许多著名的运动员均身着此面料制成的运动服。
1.7 “鲨鱼皮”泳衣
生物学家发现鲨鱼皮上粗糙的V形皱褶可以巧妙地产生水涡流，大大减少水流的摩擦阻力，使身体周围的水流更高效地流过[16]，使其获得很高的游速。世界著名的泳衣制造商Speedo公司，模仿鲨鱼皮肤的原理，研究开发了“鲨鱼皮”泳衣。
2000年悉尼奥运会，“鲨鱼皮”第1代泳衣问世，其被称为“快速皮肤”的面料表面便是完全仿造鲨鱼皮的表面做成的。此外，这种泳衣还融合了动力原理：它的接缝模仿肌腱，为运动员向后划水提供动力；面料模仿肌肉，富有弹性。在2004年雅典奥运会前夕，“鲨鱼皮”第2代“快Ⅱ”问世。其在第1代产品的基础上，改进了面料的质地和纹理，保持了更大的弹性。通过压迫身体来减少肌肤及肌肉的震动进而减少能量损耗，在运动员全身最突出的部位(前胸和后背肩胛骨区)增加了微小凸起物，以减低阻力[17]。这种全身包覆泳装根据游泳竞赛中男女运动员身体不同部位对水的阻力不同，采用2种不同表面性能的织物(Fastskin和Flexskin)。Fastskin表面轧花，花纹形状模仿鲨鱼皮，起到拒水效果；Flexskin织物作丝光处理和涂层处理以使其表面平坦光滑，并进行拒水处理。2008年2月，鲨鱼皮第4代泳衣“快Ⅳ”问世，由极轻、低阻、防水和具快干性能的“LZR Pulse”面料组成。如果说前3代“鲨鱼皮”能够使水紧贴着皮肤表层划过，那么“LZR Pulse”则是通过将贴近体表的水排开，保证水和肌肤的最少接触，达到减阻的效果。利用高科技熔接生产，产品周身找不到一处接缝，也减少了部分阻力。在泳衣的胸部、腹部和大腿外侧加上特别的镶条，令水流更顺畅地通过泳衣表面。
1.8 会呼吸的纺织品与服装
当人体运动时，由于机体代谢加强，体内氧的消耗和二氧化碳的生成都在增加，而摄入的氧却不能立即增加到完全由氧化供能所需要的量，尤其在极剧烈的运动中，如果氧不能得到及时补充，运动终将不能持久进行。
为了能为运动员提供一个充满新鲜氧气的活动环境，随时为运动员补充运动中消耗的氧，科学家们通过对血液中对人体呼吸作用有贡献的功能色素—— 卟啉化合物的研究，开发了具有呼吸功能的纤维。它是将功能色素作为诱导体，以染色的方法将其大量固着于纤维高分子材料的表面。该色素还具有与植物的叶绿素相似的功能，可利用纤维材料所具有的柔软和巨大表面积，充分吸收空气中的水分或人体汗液。当遇光时，又可被纤维材料所吸附的水分分解，从而使纤维具备了呼吸的功能。该纤维制作的服装，周围温度适当，身体表面会获得新鲜的氧气。人体再将氧气通过人体皮肤布满的毛细血管不断向血液输送，从而改善人体自身的呼吸功能，有助于提高运动员的运动速率，保持皮肤的弹性。
1.9 生物钢防弹服装
天然蜘蛛丝是目前世界上最结实、坚韧且具有弹性的纤维之一，具有极好的机械强度，其强度远高于蚕丝和涤纶等，刚性和强度低于Kevlar和钢材，但其断裂性能位于各纤维之首，高于Kevlar和钢材。Kevlar纤维虽可用作防弹服，但其断裂伸长率只有4％ ，韧性不足；而蜘蛛丝的断裂伸长率可达14％，韧性极佳。
蜘蛛丝是自然界中最高级的生物聚合物，在许多领域有着极其重要的用途。但由于蜘蛛养殖困难，提取工艺又十分复杂，技术难度大，因此，想利用天然蜘蛛丝是不现实的，只有人工合成才是有科学意义的途径。具备蜘蛛丝特征结构的蛋白质应具备与蜘蛛丝相近的力学性能。目前已利用动物(如牛、羊等)、微生物和植物生产出蜘蛛蛋白。1997年Dupont(Canada)公司已分别在大肠杆菌和酵母中发现了蜘蛛丝蛋白质，并在大肠杆菌发酵罐中生产出蜘蛛丝蛋白。而Tirrel等利用DNA重组技术合成蜘蛛丝，并克隆了一个特异的基因，导入细菌中合成了蜘蛛丝蛋白质。Dupont(Canada)公司将蜘蛛丝蛋白质中分离出的基因移植到山羊的乳腺细胞中，从山羊的乳液中提取类似蜘蛛丝的可溶性蛋白，研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代动物纤维，被誉为生物钢材。它能够制造出轻得令人难以置信的织物，具有蚕丝的质感、光泽和极好的弹性，坚韧防弹。适用于手术缝合线、防弹衣及装甲防护材料等。
2 智能仿生纺织品与服装
智能本是生物体所特有的现象，具有环境感知性和响应性。通过对生物结构系统的研究和考察，运用仿生学原理生产的纺织原料或纺织品称为智能仿生纺织品与服装。
2.1 仿生变色纺织品
2.1.1 环境变色纺织品
变色龙又名石龙子，能够随着环境的变化而自动变色，来隐蔽自己以防被其他动物伤害和猎食。它多层皮肤的细胞内含有可移动的绿色素，有时聚成一点，有时散开，从而改变了体色。它在沙漠戈壁时皮肤呈黄褐色，到了春夏季节，皮肤呈绿色。
美国科学家模仿变色龙的皮肤研究开发出随着地貌环境的变化而变色的军服。它由变色纤维制成或是采用变色染料印染而成，在不同的地方会变成与环境相近的颜色：在雪中变成白色，在沙地中则变成黄沙色，在热带丛林中变成绿色，从而具有隐蔽和保护的智能。人们穿上该变色军服，随时都会“消失”于背景中，达到伪装和隐蔽自己的目的。国外根据变色军服的原理还研制出一种新型化学纤维，它并不是随着环境的变化马上改变颜色，而是有一定时间的稳定性和变色的滞后性，在受到一定光照改变颜色后，可保持24 h不变。
2.1.2 热、光变色纺织品
人的皮肤暴露于酷热的阳光下时，皮肤通过改变颜色来保护我们的身体。人们穿着随环境温度或光照变化而自动变色的服装，可以控制对阳光能量的吸收。
日本东丽公司开发的SWAY织物，将密封有热敏染料的微胶囊与树脂一起涂在基布上，制成在低温下显色，高温下消色的织物。温度在0℃ 以下时，织物变黑，从而能大量吸收阳光的能量起到保暖作用；当温度升高到5℃以上时，织物变白，从而可抑制对阳光直射能量的吸收。松井色素化学工业公司制成的光致变色纤维，在阳光或紫外光的照射下显深绿色，无阳光时不变色。日本Kanebo公司将光敏物质包敷在微胶囊中，用印花工艺制成光敏变色织物。该织物在强紫外线照射下能显色，在吸收350～400 nm 波长的紫外线后可由无色变为浅蓝色或深蓝色，而除去该光照则消色。
2.2 自动排放湿气的纺织品
模仿树叶气孔的排气换气过程，荷兰Akzo Nobel公司设计开发出具有呼吸功能的Stoma-tex织物。当人处于较剧烈活动状态时，有过多的热量产生，依靠织物的弯曲作用，水汽从孔腔中释放，经泵吸将湿气排出；而处于平静的休息状态时，织物对湿气的泵吸功能也处于“消极”状态。通过对湿气的控制释放，织物提供了穿着的舒适性，同时保持紧靠皮肤处的微气候平衡，使人体处于最佳状态。
2.3 自动适应天气变化的智能纺织品与服装
含有种子的松节硬壳由2层组成，其中一层比另一层具有较高的硬度和较低的吸湿膨胀系数。在松树的繁殖季节，松节硬壳会随着相对湿度的改变而移动：种子干时，松节硬壳自动张开，松节把其中的松子播撒到外界；种子潮湿时，硬壳自动关闭。
模仿“松球原理”，英国科学家研制出的自动适应天气变化的服装，具有散热、保暖和除湿功能。该服装面料是运用最新微观技术制成的特殊功能的双层智能面料，其表层分布着无数微小的凸起。这些凸起的功能类似松球上的鳞片，直径不超过5 µm，由羊毛等吸水性强的材料制成。当人体变热出汗时，面料上凸起的“鳞片”在水分的作用下打开，外界空气进入孔隙，使水分蒸发，从而起到降温作用。水分蒸发完毕，“鳞片”会恢复最初的关闭状态，阻止热量的流失。面料底层是一种致密材料，能防止表层“鳞片”开启时被雨水淋透。
2.4 智能调温纺织品与服装
人体自身就是自动保温的组织，人体通过新陈代谢和肌肉的运动不断产生热量、CO2和水，并通过血管的扩张和收缩、肌肉的运动和汗的排放来控制热量释放的速度，从而调整体温。人的皮肤可随着环境温度的变化做出智能的反应：热的时候，皮肤通过大量出汗来降低身体的温度；冷的时候，皮肤通过加速血液循环来维持身体恒温。
智能调温纺织品在环境温度发生变化时，在纺织品周围形成温度基本恒定的微气候来阻止温度的急剧变化，从而实现温度调节功能。
美国Triangle公司的OUTLAST织物，通过将相变材料制成微胶囊添加到纺丝液中进行纺丝，再由相变调温纤维织制而成。根据外界环境变化，纤维中的相变材料发生液-固可逆变化，或从环境中吸收热量储存于纤维内部，或放出纤维中储存的热量，在纤维周围形成温度相对恒定的微观气候，实现温度调节功能。该种材料可用于生产滑雪服、绝缘手套、军鞋、消防服、海军陆战队服、头盔等特殊产品。美国研究人员利用温度响应性水凝胶开发了一种被称为“智能皮肤”(Smartskin)的新型织物，其外层是闭孔氯丁橡胶泡沫材料，中间夹层是温敏性水凝胶与开孔的聚氨酯泡沫材料的复合物，该复合物可以随温度的升高或降低而发生收缩或膨胀。采用该织物制成的潜水服，可以根据周围环境和潜水员的工作状况自动调节体温。当潜水员活动量大、体表温度较高时，水凝胶收缩，则通过潜水服的水流增大，由此使潜水员凉爽；当体表温度降到水凝胶的相转变温度以下时，水凝胶溶胀以减小水流，减缓热损失的速度及体表温度的降低。英国开发出一种三维织物，在普通的2层织物之间设置一种特殊的纤维，这种纤维随外部温度的变化而收缩或膨胀。当环境温度升高时，纤维收缩，织物的孔隙率增大，热阻降低，使人体产生热量能及时排出体外；当环境温度降低时，则反之，因而可有效地保持体温。
3 结 语
仿生学是一门多学科的边缘科学。仿生纺织品与服装的开发研究可以综合运用纳米、电子、生物、转基因和电子交互等技术，智能的仿生纤维、纺织品与服装是21世纪纤维、纺织品与服装发展的方向。
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