自然界中的生物體在長期的自然選擇與進化過程中，其組成材料的組織結(jié)構(gòu)與性能得到了持續(xù)優(yōu)化與提高，從而利用簡單的礦物與有機質(zhì)等原材料很好地滿足了復雜的力學與功能需求，使得生物體達到了對其生存環(huán)境的*佳適應(yīng)。大自然是人類的良師。天然生物材料的優(yōu)異特性能夠為人造材料的優(yōu)化設(shè)計，特別是高性能仿生材料的發(fā)展提供有益的啟示。其中，功能梯度設(shè)計是生物材料普遍采用的基本性能優(yōu)化策略之一。揭示自然界中的梯度設(shè)計準則與相應(yīng)的性能優(yōu)化機理對于指導高性能仿生梯度材料設(shè)計并促進其應(yīng)用具有重要意義。

    近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰課題組的劉增乾與加州大學伯克利分校教授Robert O. Ritchie及加州大學圣地亞哥分校教授Marc A. Meyers合作，揭示了生物組織與材料中廣泛存在的梯度結(jié)構(gòu)取向特征，并提煉出了一種提高材料接觸損傷抗力的仿生設(shè)計新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向獲得梯度變化的力學性能，實現(xiàn)局域剛度、強度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高整體的力學性能，如圖1所示。通過力學分析與數(shù)值模擬，他們建立了結(jié)構(gòu)取向與各力學性能之間的定量關(guān)系，闡明了材料損傷抗力提高的機理，并指出了相應(yīng)仿生梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

    在此基礎(chǔ)上，他們進一步總結(jié)了自然界中常見的基本功能梯度材料設(shè)計形式與原則，并以典型的生物材料為例，按照組成與成分、組織結(jié)構(gòu)（包括結(jié)構(gòu)單元的排列方式、空間分布、尺度和取向）、界面以及不同類型梯度在多級結(jié)構(gòu)尺度的結(jié)合與匹配的思路對生物材料中的梯度進行了具體表述與分析，歸納了梯度設(shè)計在材料性能優(yōu)化中所起的作用和相應(yīng)機制，如圖2所示。同時，他們總結(jié)了近年來仿生梯度材料設(shè)計與應(yīng)用方面取得的*新進展，特別是對3D打印等新型材料制備技術(shù)在仿生梯度材料領(lǐng)域的應(yīng)用進行了討論，并指出了未來天然生物與仿生梯度材料研究亟待解決的關(guān)鍵科學問題以及面臨的挑戰(zhàn)。