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摘 要： 摘 要 植物自身的生理結構和蒸騰作用等生命特征 ，使其具有獨特的光學和紅外特征 。在光學波段由于葉綠素和水分的共同作用 ，植物葉片在 550 ，680 ，1 400 和 1 900 nm 等波長附近形成了明顯的光譜反射特征變化 ;在紅外波段由于植被蒸騰作用的驅動 ，使其具備主動調節
摘 要 植物自身的生理結構和蒸騰作用等生命特征 ，使其具有獨特的光學和紅外特征 。在光學波段由于葉綠素和水分的共同作用 ，植物葉片在 550 ，680 ，1 400 和 1 900 nm 等波長附近形成了明顯的光譜反射特征變化 ;在紅外波段由于植被蒸騰作用的驅動 ，使其具備主動調節自身溫度的功能 ，紅外特征異于人工材料 ;基于此提出了一種模擬植物光學和紅外特征的仿生材料設計制備方法 。在綠色植物光學和紅外特性及其形成機理分析基礎上 ，進行了植物仿生材料的組分設計和熱傳導過程分析 ，完成了材料傳熱控制方程建立和結構參數確定 。利用水分吸附脫附材料 、光學顏料等人工材料 ，確定了基于光學和紅外特征模擬的植物仿生材料制備方法 。以聚乙烯醇材料作為植物仿生材料的成型物質和水分吸脫附材料 ，以鉻綠 、大分子黃等光學顏料作為材料著色劑 ，采用化學鑄膜方法制備了植物仿生材料薄膜 ，并進行了實際測試驗證 。吸脫附測試表明 ：一定厚度植物仿生材料樣品吸附量可達 1.3 kg ・ m - 2 ，可滿足材料日蒸騰耗水量的要求 ;光學和紅外模擬效果測試表明 ：植物仿生材料在光學波段(380 ～ 2 500 nm) ，特別是 1 400 和 1 900 nm 波長附近植物水吸收波段)內能夠較好模擬植被的光譜反射特性 ，且具有與綠色植物相似的紅外輻射日周期變化趨勢 ，與綠色植物的日平均輻射溫差為 0.37 ℃ ，最大溫差 0.9 ℃ ，其仿生和蒸騰過程模擬效果明顯 。
關鍵詞 植物仿生 ;光學 ;紅外 ;蒸騰作用
引 言
植物的生命組織結構和生理活動特征 ，賦予其許多獨特的性能 ，使其成為仿生研究領域模仿的重要對象之一 。例如 ，在軍事偽裝方面 ，光學偽裝主要通過模擬植物的葉片獨特的光譜反射性能 ，使得敵方偵察識別我方目標的概率大大降低或難以發現目標 ;在智能溫控方面 ，通過模擬植物的溫度主動調節特性 ，形成具有自主調控能力的智能溫控系統 ，達到環保 、低碳的目的 。本研究通過分析綠色植物的光學和紅外特性及其形成機理 ，完成了植物仿生材料的組分設計和傳熱控制方程建立 ，在此基礎上基于光學顏料和水份吸脫附材料實現對植物光學和紅外特性的模擬 ，并通過實際測試驗證最終研究效果 。
國外 對 植 物 的 光 學 和 紅 外 特 性 的 研 究 開 始 較 早 ， Penuelas 等學者對水指數與葉片內部相對水分含量的關系作了大量研究[1‐3] ，根據實驗數據建立了水指數與葉片內部水分含量之間的經驗關系式 ;此外 ，研究者對葉片的傳熱傳質過程開展了系列的研究 ，系統包括了蒸騰作用 、光合作用和有氧呼吸等生理過程 ，以及對流 、輻射換熱等非生理過程 ，并建立了相關模型 。國內近年來對植物仿生的研究工作進展迅速 ，國防科大劉志明等人基于典型被子植物葉片的結構及其組成成分提出了一種多層結構的仿生葉片原理模型 ，研究得出仿生葉片光譜反射特性與樟樹葉片光譜反射具有0.998 3的反射光譜相似度[4] 。但是國內外針對植物光學和紅外特性的仿生材料研究較少 。
1 實驗部分
1.1 植物光學特性及形成機理
植物的光學特性主要體現在植物葉片的光譜反射特性 ，典型光譜特性曲線如圖 1 所示 。植物葉片的光譜反射特性主要由葉片內部的葉綠素和細胞中的水決定[5‐7] ：由于綠色素的作用 ，葉片在 530 nm 綠光波段附近有一個特征反射峰 ，在650 ～ 680 nm 紅光波段有一個低反吸收區段 ;由于葉片水份的作用 ，其在 1 400 和 1 900 nm 左右存在明顯的水分吸收峰 。
1.2 植物紅外特性及形成機理
由于植物葉片的發射率基本在 0.9 左右[8] ，因此其紅外特性主要體現在其溫度特性 ，植物內部結構中大量存在的水份 ，賦予其較大的熱慣量 ，其溫度變化趨勢相對于人工材料趨緩 ;而植物蒸騰作用將其根部從土壤中吸收的水分輸送到葉片 ，再由葉片以水蒸氣的形式散發到環境中去 ，該過程引起的潛熱變化則可有效調控葉面溫度 ，使其具有自身溫度調節功能 ，從而形成獨特的紅外輻射特性 。
蒸騰作用的強度可以用蒸騰速率來表示 ，它是反映植物蒸騰作用的重要指標 。利用 AP4 型氣孔計在江蘇無錫馬山地區 ，實際測試了大闊葉 、冬青 、杜鵑 、山茶 、小闊葉 、野樟樹以及野竹子等植物春夏秋冬的蒸騰速率 ，將蒸騰速率數據對全天積分可得到各植物日蒸騰總量 ，測試結果表明幾種植物的平均日蒸騰耗水量在 1 kg ・ m - 2左右 ，最大日蒸騰耗水量為 1.33 kg ・ m - 2 ，最小日蒸騰耗水量為 0.55 kg ・ m - 2 。根據植物的蒸騰性能 ，及其在大氣環境中受到的太陽輻照 、與環境之間熱交換 ，可建立植物葉片與環境能量交換的模型[9‐11] ，優化計算得出 ：蒸騰作用在葉片的熱交換過程中占重要作用 ，對流換熱 、輻射換熱以及蒸騰作用引起的蒸發潛熱整 個 夏 季 白 天 的 總 量 分 別 占 比 例 分 別 為 31.37% ，32.63% ，36% ;蒸騰作用帶走的這部分蒸發潛熱對葉片溫度產生顯著的冷卻作用 ，可以計算出蒸騰作用蒸發潛熱對葉片溫度產生的影響范圍在 2 ～ 10 ℃ 。
1.3 植物仿生材料設計
根據植物的光學和紅外特性及形成機理 ，設計利用有機高分子材料對水分的吸收 、保持和脫附作用 ，以及光學顏料的光譜反射匹配 ，來仿生模擬植被葉片中的光學反射性能和調控紅外輻射的蒸騰作用 。光學顏料匹配植物葉片中的葉綠色反射性能 ，材料保有的水分模擬葉片中組織液 ，材料的水分吸附/脫附過程模擬植物的蒸騰作用 。基于此植物仿生材料的傳熱模型可用圖 2 表示 。
根據材料的基本吸脫附性能 、密度和導熱等基本性能 ，計算得到當材料達到一定厚度時 ，植物仿生材料可通過自身水分吸附脫附對其表面溫度進行調控 ，在一定程度上可以形成對植物紅外特征的模擬 。
1.4 材料制備
有機水溶性高分子是一種較常見的水蒸氣吸脫附劑 ，研究確定以成膜性能好 、吸脫附性能合適的聚乙烯醇材料作為植物仿生材料的成型物質和水分吸脫附材料 ，測試篩選確定鉻綠 、大分子黃等光學顏料作為材料著色劑 。采用化學方法制備了植物仿生材料 ，主要分為以下兩個步驟 ：
配置鑄膜液 ：稱取一定量的去離子水和聚乙烯醇加入到室溫的去離子水中 ，同時滴加聚醚型消泡劑 ，用攪拌器攪拌聚乙烯醇溶液 ，使之分散均勻 ，90 ℃ 加熱邊攪拌 2 h ;降低溫度至 70 ℃ ，稱取一定質量的 L‐蘋果酸(交聯劑) ，乙酸(催化劑) ，氯化鋰 ，氧化鉻綠等光學顏料置于聚乙烯醇溶液中 ，加熱攪拌至完全溶解 ，得到鑄膜液 ;將鑄膜液抽真空脫泡 ，靜置備用 。
制備植物仿生材料薄膜 ：將聚醚砜膜/紗布平鋪于聚四氟乙烯板上 ，鑄膜液在聚醚砜膜上平鋪一定厚度 ;將膜置于烘箱中 ，100 ℃ 烘干 1 h ，促使聚乙烯醇交聯 ;將膜移至溫度60 ℃ 、相對濕度 10% 恒溫箱中 ，時間持續 2 h ，促使鑄膜液中的溶劑揮發 。
1.5 水分吸脫附性能表征
利用 ASAP2020M 裝置和恒溫恒濕箱測試了植物仿生材料的水分吸附脫附性能 ，測試結果如圖3所示 ，從圖中可以看出 ，制成樣品后 ，樣品的整體吸附量可達 0.7 g ・ g - 1 ，根據其密度可計算 1.5 mm 厚樣品吸附量可達 1.3 kg ・ m - 2 ，而大部分植物仿生材料的日蒸騰量為 1 kg ・ m - 2左右 ，可滿足植物仿生材料日蒸騰耗水量的要求 。
1.6 光學和紅外模擬效果測試
光學和紅外模擬效果測試在無錫馬山地區進行 ，時間為2013 年 10 月 22 日至 10 月 24 日 ，試驗樣品為植物仿生材料薄膜 。植物仿生材料薄膜設置于綠色植物附近 ，以綠色植物和常規人工材料為測試對比設置測試點 ，保證兩者具有相同的環境條件 ，且測試過程中可同時獲取仿生材料和綠色植物的紅外熱圖 ，現場布置圖如圖 4 所示 。
2 結果與討論
2.1 光學特性模擬效果
測試結果采用 HR1024 光譜儀野外對比測試植物仿生材料和茶樹 、灌木的的野外光譜反射特性 ，采集波段為380 ～ 2 500 nm ，結果如圖 5 所示 。
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從圖 5 中可以得到 ，植物仿生材料在 380 ～ 2 500 nm 光學波段內能夠較好模擬植被的光譜反射特性 ：在 550 和 680 nm 等綠色素主要特征波段 ，由于光學顏料的作用仿生材料能夠較好模擬植物的變化趨勢 ，反射率比較接近 ;在 1 420和 1 900 nm 左右的水分吸收特征峰 ，由于材料內部水分作用仿生材料也體現了極佳的匹配性 。
2.2 紅外特性模擬效果測試結果
利用 FLIR S65 紅外熱像儀 ，在 8 ～ 14 μm (長波)波段 ，對植物仿生材料和綠色植物在 24 h 內的紅外熱圖變化進行觀察測量 。在距離植物仿生材料約 1 ～ 5 m 的直線距離上架設紅外熱像儀 ，保證樣品與背景位于視場內 ，依次采集植物仿生材料和植物的紅外熱圖 ，測試時間間隔為 1 h 。圖 6 給出了植物仿生材料和綠色植物在 24 h 內關鍵時間點的紅外熱圖及各時刻點環境參數 。
根據圖 6 可以統計得到全天時間內植物仿生材料與綠色植物的紅外輻射溫差如圖 7 所示 。
從圖 7 中可以看出 ：植物仿生材料由于引入了自主水分吸脫附機制 ，能夠較好模擬植物中水分的蒸騰作用 ，體現了極佳的自主溫度調節性能 ，具有與綠色植物相似的紅外輻射日周期變化趨勢 ，仿生材料與綠色植物的日平均輻射溫差為0.37 ℃ ，最大溫差 0.9 ℃ ;對比常規人工材料 ，植物仿生材料與綠色植物紅外輻射特性的一致性明顯要高 ，仿生效果明顯 。
3 結 論
(1)植物由于自身的生理結構和蒸騰作用等生命特征 ，使其具有獨特的光學和紅外特征 。在光學波段由于葉綠素和水分的共同作用 ，使其在 550 ，680 ，1 400 和 1 900 nm 等波段左右形成了明顯的光譜反射特征變化 ;在紅外波段由于植被蒸騰作用的驅動 ，使其具備主動調節自身溫度的功能 ，紅外特征異于人工材料 。
(2)利用水分吸附脫附材料 、光學顏料等人工材料 ，完成了基于光學和紅外特征模擬的植物仿生材料的制備 。以聚乙烯醇材料作為植物仿生材料的成型物質和水分吸脫附材料 ，以鉻綠 、大分子黃等光學顏料作為材料著色劑 ，采用化學鑄膜方法制備了植物仿生材料薄膜 。
(3)設計了植物仿生材料的性妮測試方法 ，完成了材料的試驗驗證工作 。吸脫附測試表明植物仿生材料的水分整體吸附脫附量可達 0.7 g ・ g - 1 ，一定厚度樣品吸附量可達 1. 3 kg ・ m - 2 ，可滿足材料日蒸騰耗水量的要求 ;光學和紅外模擬效果測試表明植物仿生材料在光學波段(380 ～ 2 500 nm )內能夠較好模擬植被的光譜反射特性 ，且具有與綠色植物相似的紅外輻射日周期變化趨勢 ，與綠色植物的日平均輻射溫差為 0.37 ℃ ，最大溫差 0. 9 ℃ ，其仿生效果和蒸騰過程模擬明顯 。——論文作者：蔣曉軍1 ，2 ，呂緒良1 ，潘家亮2 * ，張拴勤2
References
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