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智能与仿生ppt课件
图4 智能主动杆结构图
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其工作原理为：传感器提供结构的形变信息，压电陶 瓷叠层作动器根据控制器通过该信息确定的电压进行驱动， 预应力弹簧保证压电陶瓷不受拉力。当电压作用在叠层上 时，引起作动器的几何变化，从而使主动元件长度发生改 变;同时诱发结构应变，产生控制力，其大小由反馈控制 器提供的作用于叠层上的电压决定。作动器根据控制器的 指令产生作动力，调整结构状态，按需要改变结构的性能; 控制器进行信号处理，发出控制指令，操纵作动器工作， 使结构自动调整到所期望的状态。压电陶瓷叠层结构精度 为微米级，可进行微小位移调节。
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埋入式曲率光纤传感器的研究
一种埋入式曲率光纤传感器的构成如图3。
图3 曲率光纤传感器测量系统
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其工作原理为：当敏感区表面是绝对平整的表面时， 传输损耗并不大，光纤弯曲时光强几乎不变。其原因是敏 感区表面仍满足全反射条件。而用于传感器的光纤敏感区 表面要求是粗糙不平的，光在传输时遇到敏感区表面将发 生散射损耗，其本质是敏感区的表面几何畸变，使一部分 导模耦合成辐射模而产生损耗，并且各种模式的衰减不同。 该结构主要应用于直接或间接的测量出结构的弯曲变形。
智能与仿生
一 智能机械 二 仿生机械
2
1 智能和智能机械的定义 2 智能结构的组成 3 智能机械（结构）举例
3
智能是指在各种环境条件和目的要求下正确制定决策 和实现目的的能力。这里,给定的环境和目的是问题的约束 条件,制定正确的决策是智能的中心环节,而有效地实现目 的,则是智能的评判准则。从信息处理的角度讲,智能可以 看成是获取、传递、处理、再生和利用信息的能力。思维 能力是整个智能活动中最复杂、最核心的部分,主要指处理 和再生信息的能力。这种信息处理的过程是十分复杂和多 样化的,归纳起来,大体可分为3种基本的类型,即:经验思维、 逻辑思维和创造性思维。
仿生智能材料
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美国研发出一款举世无双 的“海豚潜艇”，它不仅 在外形上酷似海豚，而且 能像海豚一样时而潜入水 中，时而跃出水面做出惊 险刺激的翻腾动作。
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仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或 者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物 的科学”。
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智能材料的构成
智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息 处理器四部分构成。
(1)基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
a
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(2)敏感材料 敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知 环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、 PH值等）。
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仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
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二、 智能材料
1、什么是智能材料？
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
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天然生物材料是经过亿万年的自然选择与 进化，在细胞调制下形成的，其基本组成 单元很平常，但材料的微观结构很复杂，
具有空间上的分级结构，通常是两相或多 相的复合材料，表现出人工合成材料无法
比拟的性能。
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生物体的启示：生命体中特殊机能的智能 化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复 眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构 （由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛 的长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤 表面具有排列有序的微小鳞状突起
仿生智能材料2011-1
自然界存在的天然生物材料有着人工材料无
可比拟的优越性能。 生物材料通常有两个定义，一是有生命过程形 成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物 （骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材 料(Biomedical materials),其定义随医用材料 的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的 天然或人造材料。
仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、
原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或
者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物 的科学”。
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
2、生物材料和仿生材料
自适应机翼具有翼型自适应能力，如当飞机在飞 行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智 能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，
从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地
飞行。
（2）用于建筑、工程结构 例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电 阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记 忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使 之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损 伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。
(6)有自诊断功能，能对现在和过去的情 况作比较，从而能对诸如故障及判断失误 等问题进行自诊断和校正； (7)有自动动态平衡及自适应功能，能根 据动态的外部环境条件不断自动调整自身 的内部结构，从而改变自己的行为，以一 种优化的方式对环境作出响应。
3、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动 材料和信息处理器四部分构成。它不是传统的单 一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐 腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为 主。
仿生智能材料
形状记忆陶瓷的应用：制作金属管的密封外接套。
第3 章 智能材料
铁电形状记忆陶瓷
锆钛酸铅（（Pb，La）（Zr，Ti）O3 ，PZT） 陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧（PLZT） 陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其 具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的 自调谐机制。
形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记 忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成 形状记忆复合材料。
•该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分 子阀"和药物缓释剂等。
第3 章 智能材料
•化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发 材料变形的形状回复。常见的化学感应方式有pH 值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应 和氧化还原反应等。
•该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机" 等特殊领域。
第3 章 智能材料
常见的形状记忆合金
形状记忆合金
镍-钛系 铜系 铁系
目前用量最大 优点：抗拉强度高、疲劳 强度高、耐蚀性好、密度 小、与人体有生物相容性 缺点：成本高、加工困难
缺点：功能不如镍-钛系 优点：成本低、加工容易
缺点：功能不如铜系 优点：具有价格竞争优势
第3 章 智能材料
形状记忆合金的记忆特性：
形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆 陶瓷、铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶 瓷、铁磁性形状记忆陶瓷等。
第3 章 智能材料
马氏体形状记忆陶瓷 • 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、
四方晶系、立方晶系。 • 温度改变可以使四方相和单斜相之间发生可
逆马氏体转变，四方向单斜转变有5％的体 积变化。而且应力也可诱发四方向单斜的转 变。
第3 章 智能材料
第3 章 智能材料
铁电形状记忆陶瓷
锆钛酸铅（（Pb，La）（Zr，Ti）O3 ，PZT） 陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧（PLZT） 陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其 具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的 自调谐机制。
形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记 忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成 形状记忆复合材料。
•该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分 子阀"和药物缓释剂等。
第3 章 智能材料
•化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发 材料变形的形状回复。常见的化学感应方式有pH 值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应 和氧化还原反应等。
•该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机" 等特殊领域。
第3 章 智能材料
常见的形状记忆合金
形状记忆合金
镍-钛系 铜系 铁系
目前用量最大 优点：抗拉强度高、疲劳 强度高、耐蚀性好、密度 小、与人体有生物相容性 缺点：成本高、加工困难
缺点：功能不如镍-钛系 优点：成本低、加工容易
缺点：功能不如铜系 优点：具有价格竞争优势
第3 章 智能材料
形状记忆合金的记忆特性：
形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆 陶瓷、铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶 瓷、铁磁性形状记忆陶瓷等。
第3 章 智能材料
马氏体形状记忆陶瓷 • 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、
四方晶系、立方晶系。 • 温度改变可以使四方相和单斜相之间发生可
逆马氏体转变，四方向单斜转变有5％的体 积变化。而且应力也可诱发四方向单斜的转 变。
第3 章 智能材料
仿生材料ppt
构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
仿生智能材料
仿生智能材料第一章绪论1、基本概念仿生学概念:人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。
人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。
对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。
生物材料:通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白(蚕丝等)和生物矿物(骨、牙、贝壳等)，另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。
仿生材料(Bio-inspired):受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。
材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。
智能材料:具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。
2、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性:(1)具有感知功能，可探测并识别外界(或内部)的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等;2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应;(3)具有对环境变化作出响应及执行的功能;(4)反应灵敏、恰当;(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。
3、智能材料的构成智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。
基体材料首选高分子材，因为质量轻料，耐腐蚀;其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。
敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化(温度、湿度、压力、pH值等)。
常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。
在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。
《仿生智能材料》课件
生物成像
仿生智能材料在生物成像领域的应用，如荧光探针、磁共振成像等 ，有助于对生物体内的微观结构和功能进行无损检测。
航空航天领域的应用
结构材料
仿生智能材料具有优异的力学性能和耐久性，可用于制造飞机、 卫星等航空航天器的结构部件。
智能蒙皮
仿生智能材料可用于制造智能蒙皮，能够感知外部环境变化并作 出响应，提高航空航天器的适应性和安全性。
作简单，适用于大规模生产。
生物法
03
利用微生物或植物提取物等生物资源制备仿生智能材料，具有
环保和可持续性的优点。
材料加工技术
塑性加工
通过热压、挤压、注塑等工艺将仿生智能材料加 工成所需形状和尺寸的制品。
3D打印技术
利用3D打印设备将仿生智能材料逐层堆积成型， 实现个性化定制和复杂结构制造。
表面处理技术
对仿生智能材料的表面进行涂层、镀膜等处理， 以提高其性能和使用寿命。
表面改性与修饰技术
表面接枝改性
通过化学反应在材料表面接上具 有特定功能的基团或分子链，改 善材料表面的润湿性、粘附性等 性能。
表面涂层技术
在材料表面涂覆一层或多层其他 材料，以改变其外观、化学稳定 性、耐磨性等特性。
表面微纳结构构建
生物系统仿生材料
模仿生物的整体系统结构 和功能，如生物自适应、 生物自修复等，具有高度 的感知能力和自适应性。
02
仿生智能材料的仿生学原理
生物的感知与响应
生物通过各种感知器官接收外部信息，如光、热、触觉等， 并作出相应的响应。
生物的感知与响应机制对于仿生智能材料的开发具有重要指 导意义，例如模仿生物的视觉、听觉等感知系统，开发具有 信息感知和反馈功能的智能材料。
合作研究
仿生智能材料在生物成像领域的应用，如荧光探针、磁共振成像等 ，有助于对生物体内的微观结构和功能进行无损检测。
航空航天领域的应用
结构材料
仿生智能材料具有优异的力学性能和耐久性，可用于制造飞机、 卫星等航空航天器的结构部件。
智能蒙皮
仿生智能材料可用于制造智能蒙皮，能够感知外部环境变化并作 出响应，提高航空航天器的适应性和安全性。
作简单，适用于大规模生产。
生物法
03
利用微生物或植物提取物等生物资源制备仿生智能材料，具有
环保和可持续性的优点。
材料加工技术
塑性加工
通过热压、挤压、注塑等工艺将仿生智能材料加 工成所需形状和尺寸的制品。
3D打印技术
利用3D打印设备将仿生智能材料逐层堆积成型， 实现个性化定制和复杂结构制造。
表面处理技术
对仿生智能材料的表面进行涂层、镀膜等处理， 以提高其性能和使用寿命。
表面改性与修饰技术
表面接枝改性
通过化学反应在材料表面接上具 有特定功能的基团或分子链，改 善材料表面的润湿性、粘附性等 性能。
表面涂层技术
在材料表面涂覆一层或多层其他 材料，以改变其外观、化学稳定 性、耐磨性等特性。
表面微纳结构构建
生物系统仿生材料
模仿生物的整体系统结构 和功能，如生物自适应、 生物自修复等，具有高度 的感知能力和自适应性。
02
仿生智能材料的仿生学原理
生物的感知与响应
生物通过各种感知器官接收外部信息，如光、热、触觉等， 并作出相应的响应。
生物的感知与响应机制对于仿生智能材料的开发具有重要指 导意义，例如模仿生物的视觉、听觉等感知系统，开发具有 信息感知和反馈功能的智能材料。
合作研究
仿生智能材料
第一章绪论1、基本概念仿生学概念：人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。
人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。
对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。
生物材料：通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。
仿生材料（Bio-inspired）：受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。
材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。
智能材料：具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。
2、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性：(1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等；2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应；(3)具有对环境变化作出响应及执行的功能；(4)反应灵敏、恰当；(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。
3、智能材料的构成智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。
基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。
敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）。
常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。
在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。
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仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
天然生物材料是经过亿万年的自然选择与 进化，在细胞调制下形成的，其基本组成 单元很平常，但材料的微观结构很复杂，
具有空间上的分级结构，通常是两相或多 相的复合材料，表现出人工合成材料无法
比拟的性能。
生物体的启示：生命体中特殊机能的智能 化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复 眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构 （由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛 的长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤 表面具有排列有序的微小鳞状突起
水母的顺风耳，仿照水母 耳朵的结构和功能，设计了 水母耳风暴预测仪，能提前 15小时对风暴作出预报，对 航海和渔业的安全都有重要 意义。
宝马H2R氢燃料汽车外 型和设计的灵感来自海 豚、企鹅的低阻身材。 圆鼓的前脸、收起的尾 部，极小的正锋面，成 就了其0.21的阻力系数。 同样，尺寸庞大的宝马7 系得益于其流线造型， 阻力系数也仅为0.29。
智能材料——在材料系统或结构中，可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身，通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处 理，发出指令并执行和完成相应的动 作，从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征，以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
如果能把感知、驱动（执行）和信息等三种功能材料 有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。
20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。 智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的 第四代功能材料。
智能材料(Intelligent material，Smart material ) 是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及 其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以 改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调 的具有自适应性的材料系统。
智能材料需具备以下内涵：
（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；
美国研发出一款举世无双 的“海豚潜艇”，它不仅 在外形上酷似海豚，而且 能像海豚一样时而潜入水 中，时而跃出水面做出惊 险刺激的翻腾动作。
仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或 者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物 的科学”。
仿生智能材料
一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料
二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用
一、 仿生学
1、仿生学概念
人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历 了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出 人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功 能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决 问题的智慧和灵感。
智能材料的构成
智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息 处理器四部分构成。
(1)基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
(2)敏感材料 敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知 环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、 PH值等）。
仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
智能材料
如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中。
光导纤维
半导体控制电路
形状记忆合金
传感元件 (检测结构中的
应变和温度)
控制系统 (根据传感元件的信
息驱动元件动作)
执行元件 (使结构动作
改变性状)
智能材料
识别
分析
判断
行动
智能结构的动作流程图
自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等
3. 智能材料的基本结构
智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料
组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材
料系统，是一种智能机构。
能够对探测到的外部环境的变化作出判断， 并给出相应的改变材料状态的指令
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
控制器
传
执
感
行
器
器
智能机构
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。
(3)驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。
(4)其它功能材料
（2）具有驱动功能，能够响应外界变化； （3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和恰当； （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始
状态。
智能材料
智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本 要素。
。
2. 智能材料的特征
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
天然生物材料是经过亿万年的自然选择与 进化，在细胞调制下形成的，其基本组成 单元很平常，但材料的微观结构很复杂，
具有空间上的分级结构，通常是两相或多 相的复合材料，表现出人工合成材料无法
比拟的性能。
生物体的启示：生命体中特殊机能的智能 化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复 眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构 （由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛 的长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤 表面具有排列有序的微小鳞状突起
水母的顺风耳，仿照水母 耳朵的结构和功能，设计了 水母耳风暴预测仪，能提前 15小时对风暴作出预报，对 航海和渔业的安全都有重要 意义。
宝马H2R氢燃料汽车外 型和设计的灵感来自海 豚、企鹅的低阻身材。 圆鼓的前脸、收起的尾 部，极小的正锋面，成 就了其0.21的阻力系数。 同样，尺寸庞大的宝马7 系得益于其流线造型， 阻力系数也仅为0.29。
智能材料——在材料系统或结构中，可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身，通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处 理，发出指令并执行和完成相应的动 作，从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征，以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
如果能把感知、驱动（执行）和信息等三种功能材料 有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。
20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。 智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的 第四代功能材料。
智能材料(Intelligent material，Smart material ) 是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及 其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以 改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调 的具有自适应性的材料系统。
智能材料需具备以下内涵：
（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；
美国研发出一款举世无双 的“海豚潜艇”，它不仅 在外形上酷似海豚，而且 能像海豚一样时而潜入水 中，时而跃出水面做出惊 险刺激的翻腾动作。
仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或 者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物 的科学”。
仿生智能材料
一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料
二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用
一、 仿生学
1、仿生学概念
人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历 了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出 人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功 能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决 问题的智慧和灵感。
智能材料的构成
智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息 处理器四部分构成。
(1)基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质 材料。 首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。 其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
(2)敏感材料 敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知 环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、 PH值等）。
仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
智能材料
如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中。
光导纤维
半导体控制电路
形状记忆合金
传感元件 (检测结构中的
应变和温度)
控制系统 (根据传感元件的信
息驱动元件动作)
执行元件 (使结构动作
改变性状)
智能材料
识别
分析
判断
行动
智能结构的动作流程图
自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等
3. 智能材料的基本结构
智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料
组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材
料系统，是一种智能机构。
能够对探测到的外部环境的变化作出判断， 并给出相应的改变材料状态的指令
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
控制器
传
执
感
行
器
器
智能机构
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等。
(3)驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力，所以它担负着响应和控制的任务。
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等。
(4)其它功能材料
（2）具有驱动功能，能够响应外界变化； （3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和恰当； （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始
状态。
智能材料
智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本 要素。
。
2. 智能材料的特征