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生命體系統中的層級結構通常是以細胞為主的復合體“自下而上”的組裝過程，然而目前工業界在加工精細結構方面絕大部分使用的是“自上而下”的減材制造策略，這給在合成材料中構建層級系統帶來了巨大挑戰。因此，近年來多層級合成材料的研究重點主要圍繞著如何設計新型“自下而上”層級結構的制備方法。
在自然界中，生物體表面獨特的形貌特征往往能夠為其賦予特殊的性質，并以此來提升自身對環境的適應性和與生存幾率。其中，許多動植物依靠其表面的層級拓撲結構來調節與外界之間的相互作用。
在某些物種中，表面多層級結構能夠使其表面與其他材料的相互作用最大化，例如一些攀爬生物（甲蟲、蒼蠅、蜘蛛、壁虎等）的足部均覆蓋有豐富結構的剛毛，能夠增加表面的相互吸引力。壁虎看似“光滑”的足底由微米尺度的剛毛組成，而每一根剛毛末端又分叉形成數百根納米尺度的鏟狀絨毛，最終大幅增加接觸點的總長度，提高了總粘附力；相反，在某些生物中，表面的多層級結構反而會降低其表面與材料的相互作用力，從而形成一層外部的保護屏障。例如荷葉與蟬翼的表面均具有微米的凸起結構，并且在其之上還具有納米尺度的凸起，從而展現出超疏水和自清潔的性質。而魚鱗表面的規則排布以及表面順應水流方向的微、納結構，使得魚鱗具有超親水和超疏油的性質，能夠降低游動阻力的同時還可以避免水下微生物的粘附；一些具有層級結構的生物表面還會衍生出奇特的功能。例如豬籠草的口喙表面存在數百微米的溝槽，在此之上還有楔形盲孔構成的數十微米的不對稱溝槽，此結構能在運輸方向上優化并加強毛細上升力，并阻止反方向的回流，從而完成豬籠草內部花蜜粘液的單方向液膜搬運，使其口喙邊緣時刻保持潤滑的狀態，使獵物“失足”滑落掉入其中；此外，一些生物能夠依靠表面層級結構來進行偽裝。例如閃蛺蝶的翅膀表面在光照下五彩斑斕，是由于其翅膀鱗片表面100 - 300 nm叉狀片層結構的多層干涉現象，這種結構同時還使蝴蝶翅膀表面呈現超疏水的性質，從而使其在雨天同樣保持飛行能力。
近年來，研究者們受到生物材料表面結構的啟發，通過各種制備方式得到多層級表面結構材料，其在表面粘附、表面光學以及表面浸潤性等方面具有比肩甚至超越生物體表面的性質和功能。Qu等人使用原位生長的碳納米管陣列模擬壁虎足底的超粘附結構，利用碳納米管的豎直部分模擬壁虎的剛毛，而頂部彎曲形貌模擬壁虎的鏟狀絨毛，獲得了高達90.7 N/cm2的切向粘附力，為壁虎粘附力的10倍；Kim等人利用模板法，制備出具有楔形截面的彈性體陣列，并將其作為粘附層組裝成為“黏蟲機器人”，借助這些人造剛毛與物體表面的范德華相互作用力，實現“黏蟲機器人”在垂直表面的攀附和行走。
