作者以昆虫体表的复合浸润性及其仿生设计为主题，在悉心整理多年工作和成果积累的基础上，综合了国内外最新研究进展和文献资料，著成《昆虫体表复合浸润性与仿生设计》。全书分为五个部分，共包括19章。第一部分（第1~4章）为“仿生学概述”，较为系统地总结了仿生学的发展、仿生学研究内容、仿生学研究方法和仿生学经典案例；第二部分（第5~7章）为“表面仿生研究进展”，主要介绍了浸润性研究进展、生物表面浸润性研究动态和表面仿生制备研究进展；第三部分（第8~10章）为“昆虫体表特殊浸润性”，阐述了昆虫体表多级结构和复合浸润性，重点分析了昆虫体表浸润机理；第四部分（第11~13章）为“昆虫体表仿生设计”，论述了昆虫体表仿生制备成果、极端浸润性表面的应用以及昆虫仿生研究热点；第五部分（第14~19章）为“仿生学最新成果”，详述了人工智能、仿生材料、生物计算、生物芯片、分子仿生等热点和前沿研究领域，并对未来发展趋势和方向进行了展望。本书融科学性、知识性、系统性、前沿性、创新性和趣味性于一体，既有学术意义，又有实用价值，同时提供了大量实例，以方便读者理解和借鉴。《昆虫体表复合浸润性与仿生设计》可作为仿生学、生物学、纳米科学、材料科学、生物医学工程、化学、生态学、环境科学、人工智能等学科的教师、研究生、本科生科研和教学的参考书，也可供相关领域的技术人员、研究人员、设计人员、管理人员等阅读。

目　录
第一部分　仿生学概述
第1章　仿生学的发展\t
1.1 仿生学的提出\t
1.2 仿生学发展历史\t
第2章　仿生学研究内容\t
2.1 形态仿生\t
2.2 结构仿生\t
2.3 色彩仿生\t
2.4 功能仿生\t
2.5 能量仿生\t
2.6 神经仿生\t
2.7 力学仿生\t
第3章　仿生学研究方法\t
3.1 仿生学基本原则\t
3.2 仿生学主要方法\t
第4章　仿生学经典案例\t
4.1 蝙蝠与探路仪\t
4.2 水母与风暴预测仪\t
4.3 长颈鹿与抗荷服\t
4.4 青蛙与电子蛙眼\t
4.5 鸽子与民航飞机\t
4.6 鱼鳔与潜水艇\t
4.7 龙虾眼睛与新型X线机\t
4.8 水熊与疫苗保存\t
4.9 斑马与迷彩服\t
4.10 壁虎与特种机器人\t
4.11 鲸鳍与节能技术\t
4.12 鲨鱼皮与快皮泳衣\t
4.13 鸟喙与新干线车头\t
4.14 蛇怪蜥蜴与两栖机器人\t
4.15 蜘蛛与蛛形机器人\t
4.16 牛蒡与魔术贴\t
4.17 发光水母与绿色标识\t
4.18 树蜂与太空锯\t
4.19 蜘蛛网与安全玻璃\t
4.20 箱鲀鱼与节能汽车\t
第一部分参考文献\t
第二部分　表面仿生研究进展
第5章　浸润性研究进展\t
5.1 浸润性的定义\t
5.2 浸润性的研究意义\t
5.3 浸润性的理论基础\t
第6章　生物表面浸润性研究动态\t
6.1 植物表面的特殊浸润性研究\t
6.2 动物表面的特殊浸润性研究\t
第7章　表面仿生制备研究进展\t
7.1 仿生表面构建理论\t
7.2 仿生表面制备方法\t
第二部分参考文献\t
第三部分　昆虫体表特殊浸润性
第8章　昆虫体表多级结构\t
8.1 生物体表\t
8.2 昆虫体表\t
第9章　昆虫体表复合浸润性\t
9.1 疏水性\t
9.2 疏油性\t
9.3 各向异性\t
9.4 自清洁性\t
第10章　昆虫体表浸润机制\t
10.1 蝴蝶翅表面浸润机制\t
10.2 蝗虫翅表面浸润机制\t
10.3 其他昆虫体表浸润机制\t
第三部分参考文献\t
第四部分　昆虫体表仿生设计
第11章　昆虫体表仿生制备\t
11.1 超疏水金属膜\t
11.2 超疏水自清洁高分子膜\t
11.3 超疏水高黏附高分子膜\t
11.4 抑菌性高分子膜\t
11.5 抗凝血高分子膜\t
11.6 人工结构色表面\t
第12章　极端浸润性表面的应用\t
12.1 自清洁\t
12.2 防雾\t
12.3 抗霜防雪防冰\t
12.4 耐腐蚀\t
12.5 响应开关\t
12.6 油水分离\t
12.7 高负载力水上设备\t
12.8 微流体操控\t
12.9 生物医疗\t
12.10 其他应用\t
第13章　昆虫仿生研究热点\t
13.1 昆虫形貌的仿生\t
13.2 昆虫结构的仿生\t
13.3 昆虫功能的仿生\t
13.4 昆虫感觉器官的仿生\t
13.5 昆虫运动机制的仿生\t
13.6 昆虫其他特异能力的仿生\t
第四部分参考文献\t
第五部分　仿生学最新成果
第14章　人工智能\t
14.1 人工智能的兴起与发展\t
14.2 人工智能的应用领域\t
14.3 人工智能对人类社会的深刻影响\t
14.4 人工智能的发展方向\t
第15章　仿生材料\t
15.1 仿生智能材料\t
15.2 仿生医用材料\t
15.3 仿生隐形材料\t
第16章　生物计算\t
16.1 生物计算的定义\t
16.2 DNA存储\t
16.3 DNA计算\t
16.4 生物信息学\t
第17章　生物芯片\t
17.1 生物芯片的定义\t
17.2 生物芯片的原理\t
17.3 生物芯片的种类\t
17.4 生物芯片的相关技术\t
17.5 生物芯片的研究内容\t
17.6 生物芯片的优势\t
17.7 生物芯片的应用\t
第18章　分子仿生\t
18.1 分子仿生的定义\t
18.2 分子仿生的原理\t
18.3 分子仿生的应用\t
18.4 分子机器人\t
18.5 生物力能学与人工光合作用\t
第19章　展　望\t
第五部分参考文献\t
课题组的相关研究成果

前　言人类社会从渔猎采集阶段（旧石器时期）到
农耕畜牧时期（包括新石器时期、青铜器时期、铁器时
期），再到工业文明时代（包括手工工场时代、蒸汽时
代、机器时代、电气时代、计算机时代、信息时代、人
工智能时代等），生产力、科学技术、知识传播和生活
水平取得了前所未有的迅猛发展和巨大变革，但同时也
带来了一系列严重的问题，如环境污染、资源耗竭、生
态失衡、人口剧增、全球气候变化、臭氧层耗损、生物
多样性锐减、土地荒漠化、森林植被破坏、水资源短缺
等。面对这些日益严峻的全球化危机，人们的目光再次
投向了大自然。自然生态系统是人类文明和可持续发展
的基础，不仅能供给食物、水分、氧气、土壤、木材、
燃料、纤维、药物、原料等社会经济发展的基本物质资
源和必要组成成分，形成并维持人类赖以生存的生态环
境条件和生命支持系统，包括生物多样性的产生与维持
、废弃物的接纳与分解、土壤熟化与肥力维持、水文系
统调节、水土保持、传粉授粉、有害生物控制、二氧化
碳固定、大气系统的稳定、气象气候的调节、灾害（洪
涝、干旱、风暴、沙尘、侵蚀、滑坡、疾病等）的缓冲
、水循环、营养元素循环等，而且具有丰富而强大的精
神文化功能，为人类的发明创造、产品设计提供了无数
的知识、映象、启迪、灵感和探索的空间。仿生学是联
结自然生态系统与人类社会之间的桥梁和纽带，自然界
具有的客观性、平衡性、可续性、多样性、统一性、复
杂性、耦合性、系统性、整体性、层次性、动态性、自
稳性、适应性等多种特征，无一例外地体现在仿生学中
。仿生学是一门既古老又年轻的学科。大自然一直是人
类进行理论探索、方法创新、工艺改进、技术革新和发
明创造的不竭源泉，多种多样的生物类群提供了最优秀
、最合理、最“聪明”的解决策略和方案。20世纪40年
代，各种新理论、新思潮、新观念不断涌现，科学技术
进入新的发展阶段。人们根据生产实践的需要，将机器
、装置与有机的生物体结合起来，探索两者的内在相关
关系。越来越多的科学家和工程师认识到生物系统与技
术工艺之间存在着某种程度的联系和统一。20世纪50年
代，不同领域的科学家们都开始认识到生物系统是开发
新技术、解决新问题的一大捷径，并利用数学、材料学
、化学、物理学、力学、工程学和系统科学的方法和模
型，深入地研究生物有机体的结构、功能及原理，有效
地促进了仿生学的发展。20世纪60年代，仿生学作为一
门独立的学科正式诞生后，以其可续发展的强大生命力
和充满原始创新的无限动力，迅速扩展到自然科学、技
术科学、工程科学和人文社会科学的众多领域。高效、
低耗、天然、绿色、循环、可续的仿生理念不仅成为人
类经济增长、科技创新、社会进步和文化繁荣的科学理
念与发展模式，而且是创新之道、创业之道、创造之道
、人与自然和谐之道、解决经济发展与环境保护矛盾之
道、实现可持续发展之道。如今，仿生学已成为影响最
大、发展最快、活力最强、融合最多、应用最广的前沿
学科之一，受到世界各国越来越多的关注、青睐与重视
，吸引不同领域、各个学科越来越多的人去学习、去尝
试、去研究、去实践、去应用。仿生学为人类提供最安
全、最高效、最可靠、最多样、最低碳、最经济的新思
想、新原理、新技术、新方法和新途径，以及与自然生
物系统最为接近的人工系统。现代仿生学正在从微米、
纳米尺度进入分子水平的模拟，研究内容也从描述和定
性向着分析和定量不断深化，把生物学基础研究与生产
力紧密结合起来，将对社会生活的各个层面产生越来越
大的影响。探知有机世界的规律，远比无机世界更加复
杂。大自然为人类的发明创造提供了无穷的灵感源泉，
仿生学是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力
和创造力的部分之一，已成为世界各国备受关注的科技
前沿和创新领域。师法自然，模拟自然，效仿自然，将
是一个永恒的主题。仿生学是未来科学的重要发展方向
，将极大地推动世界整体科学技术的进步。对不同水平
生物学原理的每一步深入认识，都可能提出新的设计理
念和路线，创造巨大的社会生产力，为人类带来高度的
社会文明和更加美好的生活方式。浸润性是固体表面的
重要性质之一，无论在自然界还是在人工系统中都发挥
着不可或缺的作用。极端浸润性纳米改性表面、复合涂
层等高科技产品拥有显著的高附加值效应，已扩展到军
事、建筑、能源、机械、航空、航天、电子、环保、医
学、农业、纺织、运输等多个领域，特别是对于严苛环
境或介质中（高温、高压、污染、高速、重载、腐蚀等
）工作的器械及零部件显示出独有的优势。近年来，具
有特殊浸润性的天然自清洁表面引起了人们普遍关注。
经过数十亿，甚至数百亿年的生命进化和协同演化，生
物体从多个方面（微观/中观/宏观结构、形态、生理、
生化、行为、代谢、机能等）适应自然环境。动植物体
表拥有形态各异的微纳复合结构、特殊的化学成分、优
异的浸润性和黏附性等，为多种功能材料表面

本书内容具有非常好的系统性、先进性、科学性、创新性和实用性，可助力相关领域的科研和设计人员破解攻关难题。

第一部分
仿生学概述
第1章
仿生学的发展
1.1 仿生学的提出
自然界中生物的进化史就是一部解决困难、化解危机的百科全书。经过数亿年的漫长协同演化，大自然出现丰富多样、让人叹为观止的生物、现象和过程。人类发现和命名的动物、植物和微生物约有170多万种，科学家推测地球上的物种在1000万种以上。生物为了生存、繁衍和发展，努力适应环境，逐渐演化出特异性的形态结构、生理特性、生化途径、遗传机制和生命系统等。各种生物虽然没有发展出人类语言这样复杂的沟通方式，但它们不断学习和尝试，用实际行动展现着各自应对复杂自然环境、勇敢斗争的聪明才智、生存技能和优越性状，而这些是目前人工技术、产品和系统所无法比拟的。
人和人类社会都是劳动创造的。劳动既是人与自然之间的物质交换途径和能量转化过程，又是整个人类生活和历史的前提及基本条件、人类赖以生存和发展的根本力量。在漫长的劳动和生产实践中，人类依靠直立的身躯、手足的分工、勤劳的双手、灵巧的工具、语言的出现和情感的交流，在自然生态系统中获得了更大的自由、更多的选择和更广的活动范围，极大地刺激了神经系统尤其是大脑的高度发育和发达，使人类得以从动物界分化出来，人类无与伦比的思维、智慧、本领和力量远远超越其他所有的生物类群。自人类诞生以来，大自然一直是理论探索、方法创新、工艺改进、技术革新和发明创造的不竭源泉。自然界中的各种生物提供了最优秀、最合理的方案选择，不仅是因为这些生物在恶劣的自然环境中能够巧妙地应对、进化出许多“聪明”的解决策略，更是因为所有这些生物过程都是天然实现、可循环的绿色过程。仿生学的发展可以追溯到人类文明的早期，在严苛的原始自然条件下，人类必须向其他生物类群、自然过程和现象学习，以保障自身的生存和安全。人类的才智水平早已不单单停滞在观察和描述生物界上，而是运用人类独有的逻辑思维、认知和模仿能力进行设计与制造。在创造性劳动的直接推动下，人类不断扩展自身的能力。因此，在人类文明形成和发展的早期过程中就有对仿生学不自觉的应用，只是这些应用还处于原始阶段。
顾名思义，仿生学就是模仿生命有机体和自然过程的科学，主要研究范畴为学习生物结构和功能的工作原理，获得新的启示、工艺和科学技术，制造更加优秀的工具、材料、设备、产品等，解决人们实际应用中的问题。1960年9月13—15日，在俄亥俄州（The State of Ohio）戴通市（Dayton）的赖特-帕特森空军基地（Wright-Patterson Air Force Base），美国空军航空局组织召开了首届仿生学会议（The First Symposium on Bionics），主题为“生物系统分析得到的概念能够用于人工信息加工系统的设计吗？”，标志着仿生学作为一门独立学科的正式诞生。美国的杰克·埃尔伍德·斯蒂尔（Jack Ellwood Steele）为这一新兴的学科命名为“Bionics”，由希腊文词头“bio”（意为生命方式）和词尾“nics”（意为具有某种性质）构成，表示研究生命系统特征和功能的科学。按照斯蒂尔的定义，仿生学是“模仿生物原理建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。具体而言，仿生学是研究生命有机体的结构、形貌、过程、机能、物质交换、能量利用、生理生化、信息传递、新陈代谢、系统控制等各种特性和原理，将新方法和新途径应用于技术领域，优化原有的工程装置和设备，开发新的工艺流程、产品构型、自动化生产线等技术系统的综合性科学（樊雪梅等，2012；周方彤和高彤，2013）。我国于1963年引入“Bionics”一词并翻译为“仿生学”。从生物学角度来看，仿生学属于“应用生物学”（applied biology）和“生物工程学”（biological engineering）的一个分支，其使命是提供最可靠、最合理、最灵活、最安全、最经济、最友好、最高效、最绿色的接近于自然生态系统的人工技术系统，为人类社会造福（刘福林，2007）。
1.2 仿生学发展历史
仿生学是一门既古老又年轻的学科。生命、环境等自然形态以其自身的多样性、复杂性和合理性，向人类展现高度感性的美，常被作为学习、借鉴、汲取灵感的对象。人类在古老的年代就已经意识到，能够从自然生态系统中得到生存、繁衍和发展的启迪。人类对自然界始终充满着无穷的好奇心，从蒙昧阶段向文明时代的跨越就是在学习、模仿、适应和应用自然规律的基础上完成的。当人们专心研究生物的“生存绝技”时，发现人类面临的许多难题早已被“聪明”的生物们巧妙地解决了。人类运用优越的观察、思考和创造能力，不断借鉴自然界中的各种生物原理，制造各类实用工具，通过长期的劳动和实践，逐渐提高与大自然抗争的技能。
仿生学的应用其实早已深入到我们身边。从远古时代起，人们就已经开始从事仿生学的尝试性探索。尖状器、砍砸器、刮削器（如石斧、石刀、树枝、木棒、骨针、骨棒、砭石）等人类最初的工具形式，虽然是天然的、简单的、原始的、粗糙的、表面