自然界中的生物体在长期的自然选择与进化过程中，其组成材料的组织结构与性能得到了持续优化与提高，从而利用简单的矿物与有机质等原材料很好地满足了复杂的力学与功能需求，使得生物体达到了对其生存环境的最佳适应。大自然是人类的良师。天然生物材料的优异特性能够为人造材料的优化设计，特别是高性能仿生材料的发展提供有益的启示。其中，功能梯度设计是生物材料普遍采用的基本性能优化策略之一。揭示自然界中的梯度设计准则与相应的性能优化机理对于指导高性能仿生梯度材料设计并促进其应用具有重要意义。
    近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室材料疲劳与断裂研究部张哲峰课题组的刘增乾与加州大学伯克利分校教授Robert O. Ritchie及加州大学圣地亚哥分校教授Marc A. Meyers合作，揭示了生物组织与材料中广泛存在的梯度结构取向特征，并提炼出了一种提高材料接触损伤抗力的仿生设计新思路，即通过控制微观组织结构取向获得梯度变化的力学性能，实现局域刚度、强度与韧性的优化分布与相互匹配，从而提高整体的力学性能，如图1所示。通过力学分析与数值模拟，他们建立了结构取向与各力学性能之间的定量关系，阐明了材料损伤抗力提高的机理，并指出了相应仿生梯度结构的设计方法。
    图1. 天然生物材料通过梯度结构取向实现局域力学性能的优化分布与匹配，从而提高了材料的接触损伤抗力
    在此基础上，他们进一步总结了自然界中常见的基本功能梯度材料设计形式与原则，并以典型的生物材料为例，按照组成与成分、组织结构（包括结构单元的排列方式、空间分布、尺度和取向）、界面以及不同类型梯度在多级结构尺度的结合与匹配的思路对生物材料中的梯度进行了具体表述与分析，归纳了梯度设计在材料性能优化中所起的作用和相应机制，如图2所示。同时，他们总结了近年来仿生梯度材料设计与应用方面取得的最新进展，特别是对3D打印等新型材料制备技术在仿生梯度材料领域的应用进行了讨论，并指出了未来天然生物与仿生梯度材料研究亟待解决的关键科学问题以及面临的挑战。
    图2. 功能梯度材料中局域性能与位置的关系以及天然生物材料中的基本功能梯度设计形式与原则
    竹纤维，即竹原纤维，作为生物质纤维的新材料，有别于化学竹粘胶纤维（竹浆纤维、竹炭纤维），是从竹子茎部取得的韧皮纤维，是采用机械、物理的方法将竹材制成的纤维，这种工艺生产的竹纤维更多地保留了竹材的天然特性，使其成为继棉、麻、毛、丝之后的第五大类天然纤维。
    与传统材料相比，竹纤维不仅在性能上超越玻璃纤维、粘胶纤维等化学材料，更具有天然环保、原料可再生、低污染低能耗、可自然降解等特点，势必成为新材料领域最具发展潜力、最值得布局的领域之一，并广泛应用于纺织、非织造、复合材料、建筑材料等生产领域。
    目前，竹纤维产业网率先在国内大力推进竹纤维产业化，解决人类日益增长的天然纤维需求和可持续发展问题，将中国竹资源转化为国家经济竞争力，促进中国更多制造企业加快产业转型和产品创新，提升新材料产业的国际竞争力。