说到保暖的衣物，除了受到环保主义者抗议的毛皮大衣之外，目前最好的选择就是羽绒服了。但你是否知道：羽绒服所使用的技术，其灵感来自于这个地球上最不怕冷的生物——北极熊吗？
在极寒天气里，风和水是真正的敌人。想象一下掉进冰窟里的感觉，以及那些丧命于冰冷海水中的泰坦尼克号乘客们。但是，即便在最冷的天气里，北极熊也能在冰山上玩耍，还能在北冰洋的海水中游上10多公里。
北极熊的皮毛，可以说是现阶段全世界最保暖的“天然衣物”，这其中蕴藏的“黑科技”，可以说非常厉害了。
黑色的皮肤吸热
中空的毛管保暖
北极熊的皮毛，是目前地球上保暖最好的“天然衣物”。人们冬装里填充的保暖棉、羽绒服和棉服的热反射技术，都用到了和北极熊皮毛有关的仿生科技。
这里有个简单而关键的知识点：静止的空气是导热性很低的材料，换句话说也就是很保暖的材料（空气静止了，热对流就无法产生，从而减少了热量的流失）。北极熊的皮毛之所以能保暖，重点也是“抓”住并稳定住了空气。
事实上，羽绒之所以能保暖，也是因为纤维之间能固定空气；合成保暖棉能保暖，是将纤维做成了中空管，纤维管道和纤维之间能保存静止空气。
北极熊身上的毛有两层，外层是含有油脂的防水针毛，游泳时能防止海水侵入，里层是保暖的绒毛。将北极熊的“白毛”放在电子显微镜下，你会发现北极熊的毛不是白色的，而是一根根中空而透明的毛管（见右下图）。人类肉眼所看到的“白色”，是因为毛的内表面粗糙不平，以致把光线折射得非常凌乱而形成的。
每根北极熊的毛大约15厘米长，直径和人的头发差不多粗细。若在显微镜下细看，还会发现其毛发除了中间的管道外，周围还有许多更为狭长的半透明小孔，也沿着同一方向伸展。
北极熊的中空毛管中，存在大量静止的空气，如前所述，静止的空气导热性低，所以北极熊的毛是绝佳的保暖纤维。同样，羽绒之所以保暖，也是绒丝之间锁住大量静止空气来保暖，与北极熊的毛异曲同工。
除了毛之外，北极熊的皮肤也有保暖玄机——它的皮肤是黑色的，这一点可以从北极熊的鼻头、爪垫、嘴唇以及眼睛四周的黑皮肤上窥见其原貌。众所周知，黑色吸热，因此黑色的皮肤也有助于吸收热量。
研究人员研究还发现：北极熊特殊的透明毛管，能让空气中的高能紫外线沿着毛芯内部通过，反射到毛下黑色皮肤上，转化成热能，再由皮下的血液将热能输送到全身。
不仅如此，北极熊的毛还能反射红外线辐射。北极熊和人一样，都是恒温动物，每时每刻都在散发热量，即热辐射。但它的这层“黑科技”毛皮裹住其身体，却可以充分反射身体的热辐射，从而达到几乎不泄露热量的效果。
这个效果有多厉害呢？这么说吧，即使用红外相机拍摄，也几乎无法探测到热量。
用蚕丝模仿毛发
用铝箔模仿皮肤
北极熊的皮毛防水又保暖，可吸收紫外线吸热，又能阻挡身体热量散发，这一系列神奇的构造，让其成为世界上最保暖的“衣服”，也给了人类很多灵感，研发出相关仿生产品。
比如，以北极熊毛的结构，制作出外层防水、内部是中空管状的保暖棉。年，浙江大学化学工程与生物工程学院的科研团队，还用独特的“冻纺”几乎纺出一种人造纤维，其隔热性能可与北极熊的毛发媲美。
该科研团队采用浓度为5%的天然蚕丝蛋白水溶液，将其通过特殊工艺冷却后，溶液被重新“塑形”成纤维。这些纤维经过冷冻干燥后，便留下一条条由蚕丝蛋白组成的纤维“仿制毛”。这种材料的导热系数，比天然的北极熊毛发还要低，保暖性也更强。
只是可惜，目前这种技术仅限于实验室，还没有找到能大规模、低成本量产的途径。如果未来能够实现量产的话，那么更加轻薄保暖的冬装一定会流行起来。到时，我们或许可告别厚重的外套，披一件薄薄的“人造毛衣”便可出门；
另外，早期宇航服的构造中，有数道铝箔夹层，也是模仿北极熊的毛皮，通过反射身体的热辐射来保暖。年10月，美国航天局发布了更具灵活性和更高安全性的新一代宇航服，这种舱外宇航服可在零下约摄氏度至零上约摄氏度之间的温度条件下工作，保护宇航员不受辐射、月尘和微流星体侵害。
这类仿生科技，目前仍在不断开发中，并且有望超过北极熊毛皮的保暖效果。
受蛇启发，科学家软硬结合制造出人造蛇皮弹性体，摩擦系数降低了十倍在很多情况下，摩擦不是一件好事，比如机械设备中，摩擦不仅导致磨损，还会增加能耗。据报道，在全世界范围内由于摩擦导致的能耗约占全球能源消耗的23％。
减少摩擦最常用的方法就是加入润滑剂，如液体和固体润滑剂。但是在很多情形下，如软体机器人、柔性电子产品和生物医学设备等领域，这些常用的润滑措施会带来严重的污染问题。所以，打铁还需自身硬，关键还是要降低材料本身的摩擦系数（COF）。
蛇是摩擦界的扛把子蛇是一种全身覆盖着鳞片的爬行动物，在不分泌任何润滑剂的情况下可以在各种环境中快速运动，这都归功于皮肤表面极低的摩擦系数。
科学家对蛇皮结构进行了研究。发现表面是一层坚硬的角质层，刚度在3.2~5.0GPa之间，下面是柔软的真皮层，刚度小于1MPa，两者是通过柔韧的胶原纤维结合在一起，纤维刚度在15~MPa。如此大的刚度梯度再加上多层次鳞片结构使得蛇皮表面的摩擦系数低至0.11~0.20，而且没有牺牲真皮层的柔韧性，也就是说多层次的软硬结合结构没准能打造超低摩擦系数的弹性体材料。
成果介绍
科罗拉多大学YifuDing团队提出了一种固液界面聚合的方法（SLIP），通过在PDMS弹性体表面聚合了一层甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA），模仿了蛇皮表面硬的角质层和软的真皮层，制备出了一种具有渐变刚度和蛇皮表面微观结构特征的弹性体，这种材料的摩擦系数从纯PDMS的1.6降低至0.1，同时还保持了弹性体的整体柔韧性。
SLIP工艺合成人造蛇皮图1.固液界面聚合示意图。研究者选择HEMA和PDMS弹性体作为仿制蛇皮的材料。首先将HEMA、交联剂（聚乙二醇二甲基丙烯酸甲酯，PEGDMA）和光引发剂（二甲氧基-2-苯基苯乙酮DMPA）溶于水中。然后，将溶液置于弹性体和载玻片之间，紧接着进行HEMA的光聚合（nm，20mW·cm-2），15分钟后得到了水凝胶，在此过程中PHEMA链段会渗透到PDMS中形成混合层。1.21cm2面积的PDMS薄膜质量增加了0.64毫克，说明确实在表面形成了PHEMA层。
之所以选择HEMA和PDMS，是因为PDMS的刚度为60kPa~3MPa，类似蛇的真皮层，PHEMA刚度2GPa，与角质层相当，而且这两种材料都是生物相容性的。
完美的人造蛇皮图2.人造蛇皮照片。研究者发现纯的PDMS透明性好、粘合性高，在90°倾角下5g砝码也能牢固的黏住，改性后PDMS的透光率从92.9降低到10.5％，这是由于表面形成了17μm厚的PHEMA层导致光散射造成的。
图3.人造蛇皮的微观结构。研究者发现通过控制HEMA在水溶液中的浓度，就可以改变材料表面的微观结构。当HEMA在水中的浓度从60%降低到20%，材料表面的折痕从孤立演变成楔形形态，且长宽比增加，说明材料的表面刚度逐渐增强。随着HEMA在水中浓度的降低，PHEMA在PDMS中的渗透率从11.3％增加到了69.2％，材料表面对水的接触角从.7降低到了53.4°。
超低COF的弹性体材料图4.人造蛇皮的滑动摩擦实验。为了研究材料的摩擦性能，研究者在20％的相对湿度下以10mm/s的速度在1、5和10N载荷下进行了滑动摩擦测试。发现在1N的载荷下，纯PDMS次循环的平均COF为1.6，改性后弹性体的COF降低了近10倍，低至0.14~0.18。
研究者将COF与载荷P的1/3次方做图，发现纯PDMS的COF与P1/3之间成正比线性关系，改性后的材料则为反比。在10N的负载下，HEMA水溶液浓度为40和60%改性的材料，COF随负载的增加不显著，但20%改性的材料，当载荷为10N时，COF接近纯PDMS的数值。
研究者发现还可以通过设计材料表面的微观形貌来减少接触面积从而达到降低COF的目的。即使不进行SLIP处理，在纯PDMD表面形成圆顶形结构就能有效减小接触面积，从而使纯PDMS的COF从1.6减小到0.43，降低了4倍。如果再经过SLIP修饰后，当HEMA水溶液浓度为40和20%时，弹性体的COF可以从0.43降低到0.12和0.1，还能再次降低四倍。
这些研究表明，要想合成出超低COF的弹性体材料，表面刚度和表面特征相结合至关重要。
鲨鱼鳍结构解决了材料不透明问题图5.Sharklet结构材料的透光率。研究者之前合成的弹性体材料由于PHEMA层的散射，导致透光率只有10.5％。他们发现如果在纯PDMS上形成具有鲨鱼鳍（Sharklet）特征的微观结构（线的宽度和高度约为2μm，如图4e所示），就会使COF从1.6降低到0.92，进一步配合SLIP工艺可以进一步将COF降低至0.2。不仅如此，这种Sharklet结构不会导致透光率的过度下降，材料透光率依然可以高达88％。
小结
为了降低弹性体表面的摩擦系数，研究者受到蛇皮结构的启发，采用SLIP技术在PDMS表面修饰了一层PHEMA，合成了一种人造蛇皮弹性体。随着HEMA在水中浓度的降低，材料表面刚性逐渐增强，PHEMA链段在PDMS中的渗透率从11.3％增加到了69.2％，对水的接触角从.7降低到了53.4°。在1N的载荷下，这种材料的COF从纯PDMS的1.6，降低了近十倍，为0.14~0.18。将圆顶形微观结构与SLIP相结合，弹性体的COF可以从纯PDMS的1.6降低到0.12~0.1。如果变为鲨鱼鳍微观结构，材料的COF可以降低到0.2，而且材料的透光率可以高达88％。
《Science》子刊：壁虎到底是怎样攀附在垂直墙面上的？虽然人们普遍认为，壁虎的粘附力受vanderWaals(vdW)力的影响，但一些研究表明了非vdW力的影响，并强调了了解粘附接触界面的重要性。以前的研究假设，壁虎刚毛的表面是疏水的，非极性的脂质尾巴暴露在表面。然而，支持这一假设的直接实验证据及其对粘附机制的影响还缺乏了解。在此，来自美国阿克伦大学的AliDhinojwala等研究者，使用界面敏感光谱研究了蓝宝石-刚毛接触界面，并提供了暴露在刚毛表面的极性脂类头基与蓝宝石之间酸碱相互作用的直接证据。相关论文以题为“Directevidenceofacid-baseinteractionsingeckoadhesion”发表在ScienceAdvances上。论文链接：