近日，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院封偉教授團隊在國際權(quán)威材料期刊《Advanced Materials》(lF= 27.4)上發(fā)表題為" Biomimetic Intelligent Thermal Management Materials: From Nature-Inspired Design to Machine Learning-Driven Discovery"的重要綜述文章，系統(tǒng)地綜合了自然啟發(fā)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿生智能熱管理材料的最新進展。詳細(xì)介紹了生物的熱調(diào)節(jié)原理啟發(fā)開發(fā)仿生智能熱管理材料的進展，包括基于顏色轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)變形和相變的策略。并深入探討了機器學(xué)習(xí)在仿生智能熱管理材料中的應(yīng)用，探索了如何利用大規(guī)模數(shù)據(jù)分析來增強材料的結(jié)構(gòu)和性能。最后展望了仿生智能熱管理材料當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。論文的第一作者為天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生張恒、博士生何青霞和德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所博士后張飛，通訊作者為天津大學(xué)封偉教授。相關(guān)研究獲得國家重點基金項目、科技部重點研發(fā)項目等支持。一、仿生設(shè)計原理 自然界的生物經(jīng)過長期進化，形成了高效的熱管理機制。例如，變色龍的皮膚通過調(diào)節(jié)顏色反射或吸收熱量，而北極熊的毛發(fā)則提供了卓越的隔熱性能。這些自然結(jié)構(gòu)為材料設(shè)計提供了豐富的靈感源泉。研究者們通過模仿這些生物結(jié)構(gòu)，開發(fā)出能夠智能調(diào)節(jié)熱流的材料，為熱管理領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新解決方案。仿生智能熱管理材料的設(shè)計基于對生物熱管理機制的深入模仿。例如，研究者們開發(fā)出能夠響應(yīng)環(huán)境變化（如溫度、濕度和壓力）的材料，這些材料可以動態(tài)調(diào)整其熱性能，實現(xiàn)精確的熱能控制和管理。這種智能響應(yīng)特性使得仿生智能熱管理材料在多變環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用潛力。 
圖1仿生智能熱管理材料 二、仿生智能熱管理材料的分類與創(chuàng)新應(yīng)用 2.1.顏色變換仿生智能熱管理材料 顏色變換仿生智能熱管理材料通過仿生機制實現(xiàn)動態(tài)光學(xué)與熱學(xué)特性調(diào)控，主要分為輻射冷卻與紅外隱身兩類。輻射冷卻材料通過仿生光子晶體結(jié)構(gòu)（如變色龍皮膚納米晶排列、蝴蝶翅脈周期性微結(jié)構(gòu)）優(yōu)化太陽光反射與紅外發(fā)射性能，其核心在于可見-近紅外波段高反射率（>90%）和中紅外大氣窗口（8-13μm）高發(fā)射率（>90%）的協(xié)同設(shè)計，從而突破環(huán)境溫度實現(xiàn)高效降溫。紅外隱身材料則聚焦動態(tài)發(fā)射率調(diào)控，模仿頭足類動物色素囊收縮機制，利用柔性微腔、褶皺表面等仿生結(jié)構(gòu)，通過電/熱/機械刺激實時改變表面形貌，實現(xiàn)紅外輻射特征與背景的動態(tài)匹配，響應(yīng)時間縮短至毫秒級。兩類材料均需解決寬譜段協(xié)同調(diào)控難題，需結(jié)合多層結(jié)構(gòu)、多物理場耦合機制實現(xiàn)全光譜管理。未來發(fā)展方向包括提升材料在極端環(huán)境下的耐久性、優(yōu)化動態(tài)響應(yīng)速度，以及通過智能算法實現(xiàn)自適應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)控，推動其在建筑節(jié)能、軍事偽裝等領(lǐng)域的實用化進程。 圖2 顏色變換仿生智能熱管理材料 2.2 形變仿生智能熱管理材料 基于變形機制的仿生智能熱管理材料通過動態(tài)調(diào)控?zé)醾鲗?dǎo)路徑實現(xiàn)高效熱管理，其核心在于響應(yīng)溫度、光照或濕度等環(huán)境刺激，自主改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)熱導(dǎo)率與熱流分布。該材料可分為熱驅(qū)動、光驅(qū)動及濕度驅(qū)動三類：熱驅(qū)動型通過形狀記憶效應(yīng)模擬生物毛發(fā)直立機制，在溫度變化下可逆切換微孔結(jié)構(gòu)狀態(tài)，實現(xiàn)熱絕緣性能的動態(tài)調(diào)控；光驅(qū)動型借鑒植物向光性原理，利用光熱轉(zhuǎn)換與熱致變形耦合效應(yīng)，構(gòu)建具有徑向溫度梯度的仿生執(zhí)行器，實現(xiàn)全角度光追蹤及精準(zhǔn)熱流定向控制；濕度驅(qū)動型則模擬植物吸濕膨脹行為，通過親疏水基團的可逆相變調(diào)節(jié)材料膨脹系數(shù)，結(jié)合非對稱熱膨脹效應(yīng)實現(xiàn)濕度響應(yīng)的雙向調(diào)溫功能。三類材料均通過仿生結(jié)構(gòu)變形實現(xiàn)無源能量輸入的自適應(yīng)熱管理。 圖3 形變仿生智能熱管理材料 2.3 相變仿生智能熱管理材料 相變型仿生智能熱管理材料通過模仿生物相變調(diào)控機制，結(jié)合相變材料（PCMs）的高儲能特性與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)高效熱能存儲與動態(tài)溫度管理。在相變儲能領(lǐng)域，傳統(tǒng)材料面臨泄漏、體積形變及機械強度不足等挑戰(zhàn)，而仿生多孔支架結(jié)構(gòu)（如蝴蝶翅脈啟發(fā)的多級孔隙網(wǎng)絡(luò)）通過毛細(xì)作用約束液態(tài)相變材料，顯著提升形狀穩(wěn)定性與熱導(dǎo)率，同時生物質(zhì)衍生材料（如類骨“磚-泥”結(jié)構(gòu)）的引入進一步增強了復(fù)合材料的機械強度與熱循環(huán)耐久性。蒸發(fā)熱管理方向則通過仿生蒸騰與排汗機制，構(gòu)建基于水蒸發(fā)相變的高效散熱系統(tǒng)：植物氣孔啟發(fā)的吸濕光熱凝膠可動態(tài)調(diào)控大氣水分捕獲與蒸發(fā)冷卻，實現(xiàn)跨濕度環(huán)境的熱管理。兩類策略均利用相變潛熱實現(xiàn)無源熱調(diào)控，其核心創(chuàng)新在于仿生結(jié)構(gòu)對相變過程的多尺度調(diào)控。 圖4 相變仿生智能熱管理材料 三、機器學(xué)習(xí)的賦能：數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料設(shè)計與優(yōu)化 3.1.機器學(xué)習(xí)在熱管理材料領(lǐng)域中的優(yōu)勢 人工智能和5G的進步推動了新的散熱要求的出現(xiàn)，強調(diào)了高性能仿生智能熱管理材料的必要性。在電子設(shè)備性能優(yōu)化與壽命提升領(lǐng)域，新型熱管理材料的開發(fā)已成為關(guān)鍵課題。機器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速出現(xiàn)進一步加劇了開發(fā)新型熱管理材料的迫切需要，這為推進新型熱管理材料的發(fā)展提供了前所未有的機會和平臺。在早期的研究中，科學(xué)家主要依靠實驗方法和理論計算來研究熱管理材料的導(dǎo)熱性，這不僅耗時耗力，而且在處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)集和多因素關(guān)系時也會遇到限制。機器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)徹底改變了這一范式。通過分析現(xiàn)有材料性能和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的廣泛數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法來模擬材料性能和關(guān)鍵特征之間的復(fù)雜關(guān)系。這種方法的優(yōu)點在于它能夠從歷史數(shù)據(jù)中識別模式，從而促進對材料性能的有效預(yù)測。隨著人工智能的不斷進步，機器學(xué)習(xí)越來越多地應(yīng)用于聚合物材料研究，其目的是預(yù)測材料性能和發(fā)現(xiàn)新型聚合物材料。機器學(xué)習(xí)已經(jīng)超越了傳統(tǒng)“試錯”方法的局限性，通過構(gòu)建復(fù)雜的模型，將材料結(jié)構(gòu)和特性與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的見解所需的性能相關(guān)聯(lián)，從而解決了與聚合物的組成和復(fù)雜結(jié)構(gòu)相關(guān)的挑戰(zhàn)。 圖5 機器學(xué)習(xí)和仿生智能熱管理材料發(fā)展的時間線 3.2.機器學(xué)習(xí)在仿生智能熱管理材料的應(yīng)用 機器學(xué)習(xí)為仿生智能熱管理材料的研究與優(yōu)化提供了革命性范式，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、多尺度特征解析與智能逆向設(shè)計實現(xiàn)熱管理效能的跨越式提升。在材料設(shè)計層面，機器學(xué)習(xí)通過構(gòu)建材料成分-結(jié)構(gòu)-性能的映射關(guān)系，突破傳統(tǒng)試錯法局限：針對顏色變換型仿生智能熱管理材料，基于光譜數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練判別模型可預(yù)測動態(tài)發(fā)射率與光熱響應(yīng)閾值，生成模型則通過對抗網(wǎng)絡(luò)逆向設(shè)計光子晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)寬譜段自適應(yīng)隱身與輻射冷卻協(xié)同調(diào)控；對于變形型仿生智能熱管理材料，時序神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合強化學(xué)習(xí)可解析多場耦合下形狀記憶材料的動態(tài)熱-力響應(yīng)，優(yōu)化微結(jié)構(gòu)拓?fù)湟詫崿F(xiàn)熱流定向控制；在相變型仿生智能熱管理材料中，物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）融合分子動力學(xué)模擬與實驗數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)預(yù)測相變界面演化與熱導(dǎo)率各向異性，同時通過生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GANs）設(shè)計多級孔隙結(jié)構(gòu)以強化相變材料封裝穩(wěn)定性。機器學(xué)習(xí)技術(shù)還賦能跨尺度協(xié)同優(yōu)化：從原子級界面聲子輸運特性到宏觀熱管流體動力學(xué)，降階模型與代理模型顯著降低多物理場耦合分析的計算成本，實現(xiàn)熱-質(zhì)傳遞效率的全局優(yōu)化。 圖6 機器學(xué)習(xí)賦能仿生智能熱管理材料的研發(fā) 四、應(yīng)用前景：從個人熱管理到建筑節(jié)能 仿生智能熱管理材料通過模擬生物熱調(diào)節(jié)機制，為多領(lǐng)域復(fù)雜熱管理問題提供創(chuàng)新解決方案。在個人可穿戴熱管理領(lǐng)域，仿生智能熱管理材料可以通過動態(tài)調(diào)控紅外輻射擴展至人體熱舒適范圍，但需解決長期磨損下的性能衰減與生物相容性問題，未來將向輕量化、柔性化及AI驅(qū)動的個性化調(diào)控發(fā)展。建筑節(jié)能方面，仿生智能熱管理材料可以通過動態(tài)導(dǎo)熱特性降低圍護結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)，結(jié)合相變儲能與智能通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)晝夜溫差管理，減少空調(diào)能耗，但需提升材料在紫外線、風(fēng)雨等環(huán)境下的耐久性，未來將融合納米技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建智能溫控系統(tǒng)。在仿生機器人領(lǐng)域，仿生智能熱管理材料需滿足動態(tài)工況下的快速熱響應(yīng)需求，亟待開發(fā)柔性輕質(zhì)材料以解決高負(fù)載運行時的過熱問題，通過智能復(fù)合材料優(yōu)化熱傳導(dǎo)路徑，利用儲/放熱特性平衡溫度波動。三大應(yīng)用均面臨材料穩(wěn)定性與響應(yīng)效率的共性挑戰(zhàn)，未來將借助人工智能及先進制造技術(shù)，推動仿生智能熱管理材料在跨領(lǐng)域應(yīng)用中實現(xiàn)高效、智能、可持續(xù)的熱管理革新。 圖7 仿生智能熱管理材料及其應(yīng)用 五、總結(jié) 仿生智能熱管理材料的研究正在快速發(fā)展，其與機器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)合為解決下一代能源系統(tǒng)、柔性電子和航空航天應(yīng)用中的熱管理挑戰(zhàn)提供了新的思路。通過人工智能，這一跨學(xué)科領(lǐng)域?qū)⑼苿?/span>仿生智能熱管理材料的繁榮發(fā)展，為實現(xiàn)智能化和可持續(xù)的熱管理解決方案提供堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。這一領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新將有助于應(yīng)對全球能源消耗和環(huán)境壓力的雙重挑戰(zhàn)，為創(chuàng)造更加智能和綠色的未來做出貢獻。 通訊作者簡介： 封偉，封偉，天津大學(xué)講座教授、博導(dǎo)。擔(dān)任第七、八屆教育部科技委學(xué)部委員，中國復(fù)合材料學(xué)會常務(wù)理事，中國復(fù)合材料學(xué)會導(dǎo)熱復(fù)合材料分會會首任會長。主要從事功能有機碳復(fù)合材料、智能導(dǎo)熱復(fù)合材料、光熱能功能材料、新型氟化碳材料以及軟體機器人材料與機構(gòu)設(shè)計等及其應(yīng)用研究。主持國家自然科學(xué)基金重大科研儀器項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家杰出青年基金項目、國家科技部重點研發(fā)等項目50余項。入選國家級科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃，科技部中青年創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，天津市杰出人才，ScholarGPS2024年全球前0.05%頂尖科學(xué)家榜單（近五年）。英國皇家化學(xué)會會士（FRSC），日本 JSPS高級訪問學(xué)者，享受國務(wù)院政府特殊津貼。發(fā)表學(xué)術(shù)文章300余篇。授權(quán)中國與國際發(fā)明專利90余項。出版十四五重點出版物專著1部，英文專著4部。以第一獲獎人身份獲得教育部、天津市、中國復(fù)合材料學(xué)會等省部級一等獎5項。
