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的设计和制备提供了仿生复制模板，在生物医学工程、表面抗污、工农业生产、传感技术、减摩降阻、减黏脱附等方面日益引人注目，具有重大的推广价值，成为仿生学研究和应用的热点领域。

著者曾在国内唯一的仿生学教育部重点实验室“工程仿生教育部重点实验室（吉林大学）”（原“地面机械仿生技术教育部重点实验室”）攻读博士学位并从事博士后研究工作，专注于仿生学基础研究、功能材料开发及人才培养工作，尤其是昆虫仿生研究。昆虫是唯一能够真正飞行的无脊椎动物，也是地球上种类最多、数量最大、分布最广的动物，与人类的关系密切而复杂。作为自然界中最复杂的三维周期性介质材料之一，昆虫体表具有超疏水、自清洁、抗黏附、抗润湿、抗疲劳、抗磨损、耐摩擦、隐身性、极速导热性、荧光性等多种功能，已成为理想的仿生研究对象和设计模版。本书以昆虫体表的复合浸润性及其仿生设计为主题，在潜心总结、整理、归纳作者多年积累的研究成果基础上，综合了国内外最新研究进展和文献资料撰写而成。全书共五个部分，共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制；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。

著者在本书编写过程中，力求科学性、知识性、系统性、前沿性、创新性和趣味性并重，理论阐述与典型案例结合，希望本书能够为从事仿生研究和产品设计的专业人员提供一定的参考和借鉴，并推动表面浸润性理论探索、创新技术和功能材料开发、仿生学科发展。本书的科研工作和出版获得国家自然科学基金（31671010）、福建省自然科学基金（2020J01373；2021J011113）、吉林省自然科学基金（20180101280JC；201115162）、工程仿生教育部重点实验室开放基金项目（K201004）、吉林省教育厅科技计划项目（JJKH20181167KJ；2011—186；2010—373；2009—210；2008—163）、三明学院引进高层次人才科研启动经费项目（18YG01；18YG02）、三明市产学研协同创新重大科技项目计划（2022-G-3）、三明市产学研协同创新重点科技项目计划（2022-G-11）、三明学院学术著作出版基金等资助，在此向各单位表示衷心的感谢！鉴于著者水平有限，书中难免存在纰漏、偏颇和不妥之处，诚请专家和读者不吝批评指正。

著　者

2021年10月于福建