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生命体系统中的层级结构通常是以细胞为主的复合体“自下而上”的组装过程，然而目前工业界在加工精细结构方面绝大部分使用的是“自上而下”的减材制造策略，这给在合成材料中构建层级系统带来了巨大挑战。因此，近年来多层级合成材料的研究重点主要围绕着如何设计新型“自下而上”层级结构的制备方法。
在自然界中，生物体表面独特的形貌特征往往能够为其赋予特殊的性质，并以此来提升自身对环境的适应性和与生存几率。其中，许多动植物依靠其表面的层级拓扑结构来调节与外界之间的相互作用。
在某些物种中，表面多层级结构能够使其表面与其他材料的相互作用最大化，例如一些攀爬生物（甲虫、苍蝇、蜘蛛、壁虎等）的足部均覆盖有丰富结构的刚毛，能够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刚毛组成，而每一根刚毛末端又分叉形成数百根纳米尺度的铲状绒毛，最终大幅增加接触点的总长度，提高了总粘附力；相反，在某些生物中，表面的多层级结构反而会降低其表面与材料的相互作用力，从而形成一层外部的保护屏障。例如荷叶与蝉翼的表面均具有微米的凸起结构，并且在其之上还具有纳米尺度的凸起，从而展现出超疏水和自清洁的性质。而鱼鳞表面的规则排布以及表面顺应水流方向的微、纳结构，使得鱼鳞具有超亲水和超疏油的性质，能够降低游动阻力的同时还可以避免水下微生物的粘附；一些具有层级结构的生物表面还会衍生出奇特的功能。例如猪笼草的口喙表面存在数百微米的沟槽，在此之上还有楔形盲孔构成的数十微米的不对称沟槽，此结构能在运输方向上优化并加强毛细上升力，并阻止反方向的回流，从而完成猪笼草内部花蜜粘液的单方向液膜搬运，使其口喙边缘时刻保持润滑的状态，使猎物“失足”滑落掉入其中；此外，一些生物能够依靠表面层级结构来进行伪装。例如闪蛱蝶的翅膀表面在光照下五彩斑斓，是由于其翅膀鳞片表面100 - 300 nm叉状片层结构的多层干涉现象，这种结构同时还使蝴蝶翅膀表面呈现超疏水的性质，从而使其在雨天同样保持飞行能力。
近年来，研究者们受到生物材料表面结构的启发，通过各种制备方式得到多层级表面结构材料，其在表面粘附、表面光学以及表面浸润性等方面具有比肩甚至超越生物体表面的性质和功能。Qu等人使用原位生长的碳纳米管阵列模拟壁虎足底的超粘附结构，利用碳纳米管的竖直部分模拟壁虎的刚毛，而顶部弯曲形貌模拟壁虎的铲状绒毛，获得了高达90.7 N/cm²的切向粘附力，为壁虎粘附力的10倍；Kim等人利用模板法，制备出具有楔形截面的弹性体阵列，并将其作为粘附层组装成为“黏虫机器人”，借助这些人造刚毛与物体表面的范德华相互作用力，实现“黏虫机器人”在垂直表面的攀附和行走。
