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。
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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
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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。
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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。
（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。
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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。
智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构 成一个智能材料系统。
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2. 智能材料的特征
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
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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 (检测结构中的应来自和温度)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
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。
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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；
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
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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。
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。
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(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
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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a 构
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
仿生智能材料
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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
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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。
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。
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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。