仿生智能材料 ppt课件
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智能与仿生ppt课件
图4 智能主动杆结构图
18
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。
14
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
a
5
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”。
18
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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11
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。
a
8
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。
a
9
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
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》课件
• 2 Malth偶然 -
仿生智能材料的未来展望
tun our
令人'
M M = own the py,psilon we, , n率先垂 up the 1 ，专注于 ， -专注于一 ,聚 , - the一层, ain ,iet所 ，， our， P，，，。，早晨 the.图 ierno乖乖 ， our 1，，"
仿生智能材料的仿生结构设计
生物结构
生物体通过复杂的结构来实现各种功能，如骨骼、肌肉、皮肤等 。这些结构具有优异的力学性能、自适应性等特点。
仿生设计
模仿生物体的结构特点，设计出具有类似功能的材料或结构，如仿 生骨、仿生肌肉等。
仿生应用
通过仿生结构设计，可以改善材料的力学性能、耐久性、自适应性 等方面的性能，为工程领域提供新的解决方案。
仿生智能材料在能源领域的应用
总结词
优化能源储存
详细描述
在能源储存方面，仿生智能材料通过模仿生物体内的能量储存机制，开发出具有 高能量密度、快速充放电能力的储能设备。例如，仿照昆虫的飞行机制设计的微 型飞行器，可以利用仿生智能材料实现高效、持久的能源储存和释放。
仿生智能材料在环保领域的应用
总结词
改善环境质量
仿生智能材料的分类
生物体结构仿生材料
生物体系统仿生材料
模仿生物体的骨骼、肌肉、皮肤等组 织结构的材料，如仿生骨、仿生肌肉 等。
模仿生物体的整体结构和功能的材料 ，如仿生机器人、仿生智能系统等。
生物体功能仿生材料
模仿生物体的生理功能和行为特征的 材料，如仿生传感器、仿生驱动器等 。
仿生智能材料的应用领域
医疗领域
用于制造仿生器官、组织工程 和生物材料，提高医疗效果和
仿生智能材料的未来展望
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仿生智能材料的仿生结构设计
生物结构
生物体通过复杂的结构来实现各种功能，如骨骼、肌肉、皮肤等 。这些结构具有优异的力学性能、自适应性等特点。
仿生设计
模仿生物体的结构特点，设计出具有类似功能的材料或结构，如仿 生骨、仿生肌肉等。
仿生应用
通过仿生结构设计，可以改善材料的力学性能、耐久性、自适应性 等方面的性能，为工程领域提供新的解决方案。
仿生智能材料在能源领域的应用
总结词
优化能源储存
详细描述
在能源储存方面，仿生智能材料通过模仿生物体内的能量储存机制，开发出具有 高能量密度、快速充放电能力的储能设备。例如，仿照昆虫的飞行机制设计的微 型飞行器，可以利用仿生智能材料实现高效、持久的能源储存和释放。
仿生智能材料在环保领域的应用
总结词
改善环境质量
仿生智能材料的分类
生物体结构仿生材料
生物体系统仿生材料
模仿生物体的骨骼、肌肉、皮肤等组 织结构的材料，如仿生骨、仿生肌肉 等。
模仿生物体的整体结构和功能的材料 ，如仿生机器人、仿生智能系统等。
生物体功能仿生材料
模仿生物体的生理功能和行为特征的 材料，如仿生传感器、仿生驱动器等 。
仿生智能材料的应用领域
医疗领域
用于制造仿生器官、组织工程 和生物材料，提高医疗效果和
《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
2024年度仿生智能材料ppt教案
分子自组装
利用分子间的相互作用力，如氢 键、范德华力等，使智能材料分 子在特定条件下自组装成具有仿
生结构的聚集体。
纳米自组装
通过纳米级别的自组装技术，构 建具有特定功能的仿生智能材料
。
多层次自组装
结合不同尺度的自组装技术，实 现多层次、多功能的仿生智能材
料制备。
2024/3/23
13
3D打印技术应用
2024/3/23
11
模板法合成技术
模板选择与设计
根据目标仿生结构，选择合适的 模板材料，如生物模板、人工合
成模板等。
2024/3/23
材料填充与固化
将智能材料前驱体填充到模板中， 通过固化反应形成具有仿生结构的 智能材料。
模板去除
采用适当的方法去除模板，得到具 有仿生结构的智能材料。
12
自组装技术
2024/3/23
8
生物感知与响应机制
01
02
03
感知机制
研究生物的感知机制，如 视觉、听觉、嗅觉等，应 用于传感器和检测技术的 设计。
2024/3/23
响应机制
借鉴生物的应激响应机制 ，如自适应、自修复等， 提高材料的智能性和适应 性。
信息传递与处理
模拟生物体内的信息传递 和处理方式，如神经网络 和遗传算法，应用于人工 智能和计算机领域。
通过压电常数测量仪测量仿生智能材料的压电常数，研究其压电 效应及在传感器等领域的应用潜力。
18
05 仿生智能材料在各领域 应用前景
2024/3/23
19
传感器领域应用
仿生智能材料可用于制造高灵敏度、高选择性的传感器，如气体传感器、生物传感 器等。
利用仿生智能材料的自适应性，可设计出能够自适应环境变化的传感器，提高传感 器的稳定性和可靠性。
仿生智能材料 ppt课件
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
ppt课件
7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
覆盖，每一个鳞片上分布有排列
整齐的纳米条带结构，每条带由
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
8
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
ppt课件
24
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过 程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取 代的过程。
气液
液
固
固
(1)沾湿
ppt课件
固 气液
固液
(2)浸渍润湿
25
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
液
液
气
固
固
(3)铺展or完全润湿
身体的重量，它在水
面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
ppt课件
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向 排列的多层微米 尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
ppt课件
Cassie model
cosc f1 cos1 f2 cos2
30
cosc f1 cos1 f2
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
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ppt课件
12
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
模仿水黾----新型超级浮力材料
• 哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材， 并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后 通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超 疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮， 且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚 至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不 会沉没。
壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐 排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与 吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在 着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。
壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在 绒毛表面，而不是粘在绒毛上，因此在堆积到一 定程度之后脏物颗粒ppt在课件重力的作用下就会脱落。16
ppt课件
3
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构， 这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引 起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的 超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。 另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结 构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。
身体的重量，它在水
面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
ppt课件
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向 排列的多层微米 尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
动态色： 指那些可随周围环境及条件变化的颜色 变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
ppt课件
7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
覆盖，每一个鳞片上分布有排列
整齐的纳米条带结构，每条带由
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
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2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
壁虎的每只脚底 长着大约50万根 极细的刚毛（长 100um)，刚毛末 端又有约400— 1000根更细小的 分支。
ppt课件
15
微米级阵列刚毛 单根刚毛 单根刚毛末端的放大
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力来自于 刚毛与物体表面分子之间的“范德华力”的累积 （范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生 的一种微弱的电种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
单一微米或纳米结构示 意图（上）
微米-纳米的分级复合结 构示意图（下）
ppt课件
由于微、纳米结构并
存，大量空气储存在
这些微小的凹凸之间，
水珠只与荷叶表面乳
突的部分蜡质晶体绒
毛相接触。
5
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2、表面各向异性
水稻叶表面存在类似于荷叶表面微/纳米结合的 阶层结构，但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边 缘的方向排列有序，而沿着垂直方向呈无序的任 意排列，水滴在这两个方向的滚动角也不相同， 其中沿平行方向为p3pt-课5件°，垂直方向为9-15°。6
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
RO
不滚动
蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（RO方向）倾
斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂
直RO的两个方向，水pp滴t课件不易滚离。
9
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿能排开300
倍于其身体体积的水
量，它的一条腿能在
水面上支撑起15倍于
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
仿生应用----仿生壁虎脚
利用结构可控的直立型碳纳米管阵列制成
ppt课件
（4×4）平方 毫米的碳纳米 管阵列自吸附 在垂直玻璃的 表面上悬挂一 瓶约650克的瓶 装可乐饮料； 自吸附在垂直 的砂纸表面上 悬挂一个金属
17
钢圈。
2.1 自然界的几种生物体的表面
• 船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气
垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面
被水直接打湿。 ppt课件
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2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
模仿水黾“水上漂”功夫的机器人
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2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.4在墙壁上行走的动物—壁虎
水黾腿部的微米刚毛与 ppt课件 纳米沟槽结构电镜照片11
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有 效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳 米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜， 阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏 水特性。
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.5自然界中的结构颜色
自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或 矿物经过进化却选择了结构颜色。
结构颜色： 依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作
用而产生颜色。
静态色： 指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色
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2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
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2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.1 植物叶表面的自清洁性
1、粗糙结构—荷叶效应
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2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
• 荷叶粗糙表面上有微米结 微米-纳米的分级复合 构的乳突，平均直径为5- 结构 9um，单个乳突又是由平均 直径约为124.3nm的纳米结 构分支组成，乳突之间的 表面同样存在纳米结构。
第2 章 仿生材料
2.1 自然界的几种生物体的表面性能及其仿 生纳米界面材料
2.1.1 植物叶表面的自清洁性
2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性 2.1.3在水面行走的昆虫—水黾 2.1.4在墙壁上行走的动物—壁虎 2.1.5自然界中的结构颜色 2.1.6具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料
2.2 天然蜘蛛丝和蚕ppt课丝件 蛋白仿生材料