增材制造仿生界面：从理论认知到可再生能源应用

3D科学谷洞察

增材制造仿生界面在可再生能源领域的应用具有巨大的商业价值，例如，在太阳能电池板自清洁领域，增材制造的润湿可控表面可显著提高光电转换效率，减少维护成本。在水处理系统领域，随着全球水资源短缺问题的加剧，水处理市场需求持续增长。增材制造的仿生界面可用于海水淡化和废水处理，提高淡水回收率和水质。在太阳能光伏发电领域，增材制造的仿生结构电极材料可提高电池的光电转换效率，降低成本。在电动汽车和便携式电子设备领域，高性能电池的需求不断增长。增材制造技术可精确控制电池电极材料的微观结构和组成，提高电池的比容量、循环稳定性和安全性。在化学合成和环境保护领域，增材制造的仿生催化剂可提高反应的选择性和效率，降低生产成本。”

通过多尺度结构与功能设计，仿生界面在减少能源消耗和生产可再生资源方面展现出独特优势。为突破传统制造技术难以实现复杂仿生结构的局限，增材制造（AM/3D打印）技术通过灵活的设计与高精度成型能力，为实现仿生结构多尺度重构及功能再创提供了全新机遇。近年来，仿生界面的增材制造已在可再生能源领域取得显著进展，但仍需解决若干关键挑战。本综述首先解析了仿生界面润湿控制、能量转换与化学反应的核心机制，总结了增材制造技术的优势及适用性，随后重点综述了增材制造仿生界面在可再生能源领域的突破性应用：润湿可控表面、水处理系统、能量收集器件、高性能电池、催化和反应器。最后，探讨了增材制造仿生界面当前存在的挑战与未来研究方向，为新一代可再生能源技术开发提供创新思路。

该综述以“Additive manufacturing of bionic interfaces: From conceptual understanding to renewable energy applications”为题发表在《Advanced Bionics》上。论文通讯作者是吕坚院士（香港城市大学）。

文章速览

1.引言

图1. 本综述框架

2.仿生简介

自然界通过精巧演化形成的界面结构，能够满足生物体生存或相关生态系统中非生物功能的独特需求。依托微/纳米尺度特征的结构润湿性、能量传递能力及化学反应活性，这些天然界面衍生出广泛的应用。其核心机理在于生物与非生物界面在生态系统功能中所展现的性能调控机制。师法自然并超越自然，是实现仿生功能的最有效途径。例如，植物（从荷叶到树根）是典型的仿生原型：叶片通过光合作用为植物提供养分，其功能涵盖光能转化、液体输运、CO2至O2的资源生产，以及自清洁与水分保持等附加特性。界面多功能性与高协同效率引发了科研界对仿生过程重构的极大兴趣。

通过深入解析内在机制，仿生界面不仅能够复现自然功能，更可超越原型限制。例如，受植物叶脉结构启发的仿生燃料电池，通过优化氧气扩散路径提升性能；模仿植物茎秆液流传导的仿生织物结构，突破了自然限制，实现电能高效收集。功能性仿生界面设计已从早期的简单形态复制，迈向以机制研究为核心的深度发展阶段。

基于生物结构研究的机理与原理，能够支持开发超越自然界现有结构的仿生结构。生物界面与仿生界面所表现出的独特功能主要可分为三类：（1）表面润湿性；（2）物理电学特性；（3）化学反应。

图2. 仿生界面润湿状态示意图

图3. 表面/界面能量收集技术的基本原理

自然界中存在多种尺度各异的生物表面与界面结构：例如具有微纹理和毛发状结构的叶片表面、呈现复杂微纳结构与独特纹理的鱼鳞，以及具备多层光学结构的蝴蝶翅膀。这些结构可为能源器件界面设计提供丰富灵感。虽然仿生表面/界面常包含复杂而不规则的微纳多尺度几何特征，但通过X射线计算机断层扫描、磁共振成像等先进扫描技术可精确复现其复杂构造。不过，将这些仿生设计真正转化为实用界面仍面临重大挑战。

传统方法难以实现复杂仿生表面/界面结构的高精度制造，也无法有效复现其特有的物理化学特性和功能。要解决这些问题，需要采用能实现材料-结构-功能一体化集成的先进制造技术，才能精确高效地制备高性能仿生表面/界面。

3.仿生增材制造策略

增材制造（又称3D打印）是一种基于三维计算机模型数据，通过自下而上逐层堆积构建三维物体的工艺。相较于传统制造技术，该技术展现出显著优势：（1）具备制造高度复杂结构的卓越灵活性；（2）可实现多尺度特征的快速成形；（3）支持塑料、金属、陶瓷及复合材料等多类材料的加工。这些特性不仅能大幅缩短制造周期、减少材料浪费，还可显著降低生产成本。特别值得关注的是，当增材制造与计算机断层扫描/磁共振成像技术相结合时，能实现高分辨率复杂仿生结构的快速原型制造——这类结构往往难以采用传统方法制备。正如图4所示，增材制造技术的兴起已从根本上重构了现有制造方法体系。

图4. 仿生器件增材制造及后处理方法

4.可再生能源应用

基于对仿生界面与增材制造工艺的理解，接下来综述了增材制造仿生界面在不同领域的创新应用：润湿态调控表面、水处理系统、能量收集装置、电池以及催化等。

图5. 用于降低能耗的3D打印仿生润湿可控界面应用

图6. 通过3D打印仿生润湿可控界面实现可再生资源收集

图7. 用于水分输运的3D打印点阵结构

图8. 用于太阳能海水淡化的3D打印仿生异质结构

图9. 3D打印抗盐太阳能海水淡化蒸发器

图10. 3D打印仿生表面/界面在能量收集中的应用

图11. 仿生结构电极材料设计

图12. 3D打印仿生催化剂

图13. 用于废水处理的3D打印仿生结构

5.结论与展望

图14. 增材制造仿生界面在可再生能源应用的展望

此外，自然界中虽存在大量自然界面，但现有仿生研究仅聚焦于少数结构。未来若能从地外空间、大气环境、陆地及海洋等多元环境中发掘仿生对象，有望催生新型仿生结构并揭示未知机制。当前仿生研究大多停留在自然界已有结构与功能的复制层面，亟需引入人工智能等新兴设计策略，以突破自然限制实现超自然仿生设计。现有报道的仿生界面多为单一材料架构或功能局限，而具有更高生物拟真度的仿生界面将更全面更智能，可逼近甚至超越生物体的能量转化与收集能力。因此，增材制造技术的持续革新将成为构建这类智能仿生界面的核心驱动力。

【吕坚院士简介】

吕坚，法国国家技术科学院(NATF)院士、香港工程科学院院士、香港高等研究院高级研究员香港城市大学工学院院长、香港城市大学机械工程系讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。曾任法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心(CNRS)机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、兼任香港理工大学工程学院副院长、香港城市大学副校长(研究及科技)兼研究生院院长。曾2011年被法国国家技术科学院(NATF)选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得72项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature(封面文章)，Science，Nature Materials， Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communications，Materials Today，Advanced Materials，PRL，JACS等专业杂志上发表论文480余篇，引用4万9千余次(Google Scholar)。

个人主页:

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

《Advanced Bionics》期刊投稿网址：https://www.editorialmanager.com/abs/Default.aspx

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