生物材料学-第9章 仿生材料
仿生材料
又叫水瓜，寒瓜 , 夏瓜，因在汉代从西 域引入，故称“西瓜”。西瓜味道甘甜 多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能 祛暑热烦渴，因此有“天然的白虎汤” 之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外，几 乎含有人体所需的各种营养成分，是一 种富有营养,纯净，食用安全的食品。
仿生材料最新研究领域
光子晶体材料：是一类特殊 的晶体，其原理很像半导体， 有一个光子的能力。蛋白石 就是其中的典型，它的组成 仅仅是宏观透明的二氧化硅， 其立方密堆积结构的周期性 使其具有了光子能带结构丽的色彩 。（这种材料的研发
仿生材料
仿生材料
仿生材料定义：仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发 的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料 学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物 的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为 人类做出更大的贡献。 自然界中的物质和天然生物材料，如贝壳，骨骼等经过上 亿年进化的产物，具有适应环境与功能需求的最佳结构，表现 出传统人工合成材料无法比拟的优异强韧性，功能适应性以及 愈合能力。在生物医疗领域，仿照天然生物材料制备出具有生 物功能，甚至是生物活性的材料成为生物材料科学极为活跃的 前沿研究领域。
仿生高超强韧材料：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。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，由小平板状的 结构单元累积而成、成层排列， 组成成分是多角片型的文石结 晶体（CaCO3, 斜方晶系）。
10-复合材料9-仿生
第9章 仿生复合材料
- 探讨自然界的启示
Y. Lu
1
2007
古代
鲁班造锯：上山砍树，因带齿的丝茅草叶
划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动 的仿生例子。
现代
Y. Lu
2
2007
自然界的智慧
• 隐身衣
Y. Lu
27
•
2007
3. 新干线列车(学习对象：翠鸟)
• 日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时 193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪 音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入 了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气， 形成了一堵“风墙”。 当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨 大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水 一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。翠鸟生 活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿 越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。 中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同 翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安 静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。
自清洁表面（涂料，材料） 德国生物学家Barthlott发现
生物仿生学和生物材料学
生物仿生学和生物材料学生物仿生学和生物材料学是在生物领域中越来越受关注的研究领域。
生物仿生学以生物学和工程学为基础，借鉴生物的自然适应能力来设计并开发新的技术。
生物材料学则着重于生物材料，研究如何设计、制备和应用生物材料。
本文将着眼于这两个领域的研究内容和应用进展。
一、生物仿生学研究生物仿生学研究旨在模仿生物体自然状态和行为来设计和制造更有效、更高效、更健壮和更环保的材料和产品。
生物体绝大部分身体结构和机能都是经过漫长进化过程后达到的完美状态，因此，研究生物体的结构和机能，借鉴生物的自然适应能力，就可以为现代科学技术的发展提供更多的灵感和思考。
1.1 生物仿生材料生物仿生材料是仿造生物体的结构和机能特性，研制出的具有良好性能的材料。
将仿生材料应用于工业制造中，可以提高生产效率、改善生产环境、降低成本。
常见的仿生材料有纳米仿生材料、光子晶体等。
纳米仿生材料是指通过仿生学方法制备的颗粒粒径小于100纳米的材料。
光子晶体是一种利用生物体内存在的微观结构反射和传播光线的物理原理，研制出来的具有自组装性、自组织性和多彩性的晶体材料。
1.2 生物仿生机器人生物仿生机器人是指通过仿生学方法设计和制造的机器人，具有生物体的快速响应、柔韧自适应、复杂运动控制等特性，可以用于自主探索、信息获取、危险环境探测等领域。
生物仿生机器人的特点是结构和机能的巧妙融合，使其具有更多的应用场景。
1.3 生物仿生能源生物仿生能源是一种基于生物仿生学的能源开发和利用，旨在模拟和利用生物体内自由能、化学能和热能等能量转化机制，把它们转化为人类所需的电能。
例如，利用蝴蝶翅膀的特殊结构，开发出带有自旋转发电功能的发电机；利用海藻的光合作用原理，研制出太阳能电池等。
二、生物材料学研究生物材料学是一门研究生物材料和其它类似材料的学科。
生物材料涉及种类广泛，包括人体组织类材料、动物骨骼类材料、昆虫壳类材料、植物细胞壁类材料等。
生物材料学主要研究如何设计、制备和应用生物材料的过程，以满足现代科学技术的需求。
仿生材料
例子
• 举几个简单的例子 海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压 足以电 举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出 伏的电压,足以电 海鳗的发电器瞬间可以发出 死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材 但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子 死一头大象 但是它的发电器不是金属等导电器材 而是蛋白质的分子 集合体;深海里有一种软体动物 其身体无疑也是由细胞材料所构成,但 深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成 集合体 深海里有一种软体动物 其身体无疑也是由细胞材料所构成 但 是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生 是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明 许多生 物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温 物体的某些构成材料是我们完全不知道的 这些材料大多数是在常温 常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能 并能发挥出特有的性能。 常压的条件下形成 并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象 有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面 把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生 有了充分的理解之后 把它们应用于材料科学技术方面 就形成了仿生 材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造 材料学。因此 仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造 与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料 用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的 与形成过程为目标 用生物材料的观点来思考人工材料 从生物功能的 角度来考虑材料的设计与制作。 角度来考虑材料的设计与制作。但是迄今为止该学科未开拓的领域和 未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全 未解决的问题非常之多 可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全 形成。 形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门 知识,例如 高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、 例如,高分子化学 知识 例如 高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其 关联的技术等等。 关联的技术等等。
生物材料学中的仿生学
生物材料学中的仿生学生物材料学是一个跨学科的领域，涵盖了材料科学、生物学和医学等领域。
它的研究对象是生物体内的各种物质，如细胞、组织、器官等，以及它们与材料的相互作用。
而仿生学则是生物材料学中的一个分支，它的研究方向是模仿自然界中的生物体和生物机制，通过仿制它们的结构和功能，来设计和制造新型的材料。
下面将从几个方面介绍生物材料学中的仿生学。
1.仿生材料的分类仿生材料是指从自然界中获得灵感，通过模仿生物体和生物机制的方式来设计和制造的材料。
根据仿生材料的来源和性质，可以将它们分为以下几类：（1）生物材料：这是从研究生物材料学的角度来看的，它们是从自然界中提取或制造的纯天然或人工合成的物质，如骨骼、牙齿、蛋白质等。
（2）仿生几何结构材料：这是通过观察自然界中具有特殊结构和形态的物体，如蝴蝶的翅膀、蜻蜓的翅膀等，来设计和制造的材料。
这些材料最大的特点就是具有复杂的几何结构。
（3）仿生智能材料：这是利用生物体内的智能机制，通过仿制它们的构造和功能来设计和制造的新型材料。
例如，模仿人类的感官机制，制造出具有感知能力的材料。
（4）生物合成材料：这是通过模仿生物的合成方式制造的材料，例如碳纳米管就是利用了生物合成的方法来制造的。
2.仿生学在医学领域的应用生物材料学是医学领域中的一个重要分支，而仿生学在其中起到了至关重要的作用。
通过仿制自然界中的生物体和生物机制，可以开发出更加安全和有效的医疗材料和器械，例如：（1）人工心脏瓣膜：仿生学在设计和制造人工心脏瓣膜方面取得了很大的进展，目前已经开发出了多种仿生心脏瓣膜。
这些瓣膜具有更加接近自然心脏的结构和功能，能够更好地适应患者的生理需求。
（2）人工骨：生物材料学和仿生学在人工骨领域的应用也非常广泛。
研究人员利用仿生学的原理，设计和制造出具有和自然骨结构相似的人工骨，用于治疗骨损伤和疾病。
（3）仿生假肢：仿生学在制造假肢方面也起到了不可或缺的作用。
通过仿制自然肢体的结构和功能，制造出更加轻便和灵活的假肢，使人们能够更加自如地进行各种活动。
仿生材料
Qu 等利用化学气相沉积法,在硅基底上生长出竖直排列的多壁碳纳米管阵列,并 研究了其粘附性能.碳纳米管由竖直部分及端部的弯曲部分组成,分别用来仿生壁 虎脚部刚毛和铲状绒毛.当碳纳米管阵列与基底接触时,弯曲部分与基底表面的线 接触有效地增大了接触面积,并且在切向力的作用下,取向基本一致(d)和(e),类 似于壁虎铲状绒毛与基底的接触.为了测量该结构粘附力,取4mm³4mm大小的碳纳 米管集簇与玻璃基底接触(a),碳纳米管的直径约为10 ∼15nm,长度约为150µm,密 度约为1010∼1011cm−2.该样品能牢牢吊起一本重为1.480kg的书,切向粘附力约为 90.7N²cm−2,达到壁虎粘附力的10倍;而法向粘附力随着碳纳米管的长度的变化由 10 N仅增大到20 N且远小于切向粘附,并且总粘附力随着拉脱角的变化而变化.
仿生材料的举例
长颈鹿能将血液通过长长的颈输送到头部，是 由于长颈鹿的血压很高，这与长颈鹿身体的结 构有关。长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能 压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全 身的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向 上回流。科学家由此受到启示，在训练宇航员 时，设置一种特殊器械，让宇航员利用这种器 械每天锻炼几小时，以防止宇航员血管周围肌 肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈 鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研 制了飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安有 充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以 充入一定量的气体，从而对血管产生一定的压 力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员 腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中， 这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上 部的血液向下肢输送。
仿生材料发展概况及前景展望
仿生材料概述
1.1 仿生材料起源
20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技 术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、 设计原理和创造发明的源泉。 20世纪60年代，美国科学家J.steele在第一次仿生讨论会上 (1960年9月)正式提出了仿生学的概念，于是仿生学作为 一门独立的学科正式诞生。 20世纪80年代以来，生物自然复合材料及其仿生的研究在 国际上引起了极大重视，目前正在逐步形成新的研究领域。
纳米仿生材料
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。
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3-5°，垂直方向为9-15°。
• 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。
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。
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
4在墙壁上行走的动物—壁虎 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。
微米级阵列刚毛 单根刚毛 单根刚毛末端的放大
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 的一种微弱的电磁引力）。 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在重力的作用下就会脱落。
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
仿生材料模仿大自然
仿生材料模仿大自然仿生学是一门研究生物学原理并将其应用于工程技术领域的学科，旨在从自然界中汲取灵感，创造出具有生物特性的人造材料。
仿生材料作为仿生学的重要应用之一，通过模仿大自然中生物体的结构、功能和特性，设计制造出具有类似特征的人造材料，以实现更高效、更环保、更智能的工程应用。
本文将探讨仿生材料如何模仿大自然，并在各个领域展现出独特的应用和潜力。
### 1. 植物纤维仿生材料植物纤维是大自然中常见的材料，如木材、竹子等，具有轻质、高强度、环保等优点。
仿生材料可以通过模仿植物纤维的微观结构和分子排列方式，设计制造出具有类似性能的人造纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维等。
这些仿生纤维材料在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域得到广泛应用，为工程技术带来了革命性的突破。
### 2. 蜘蛛丝仿生材料蜘蛛丝是一种天然的生物高分子材料，具有超强的拉伸强度和韧性。
科学家们通过研究蜘蛛丝的结构和合成机制，成功制备出人造蜘蛛丝仿生材料，如生物合成的蛋白质纤维、碳纳米管纤维等。
这些仿生材料在医疗器械、防弹材料、纺织品等领域展现出巨大的应用潜力，为人类社会带来了许多创新和改变。
### 3. 蓝藻光合作用仿生材料蓝藻是一种能够进行光合作用的微生物，其光合作用机制被科学家们广泛研究并应用于仿生材料的设计中。
通过模仿蓝藻的光合作用过程，研发出人造光合作用系统，可以将太阳能转化为化学能，实现高效的能源转换和储存。
这种仿生材料在太阳能电池、人工光合作用系统等领域具有重要的应用前景，为可再生能源的发展提供了新的思路和技术支持。
### 4. 鱼鳞结构仿生材料鱼鳞是一种具有特殊结构的生物材料，其表面覆盖着微小的鳞片，具有防水、减阻、抗菌等功能。
仿生材料可以通过模仿鱼鳞的结构和特性，设计制造出具有类似功能的人造材料，如超疏水表面、减阻涂层等。
这些仿生材料在船舶涂料、医疗器械表面涂层等领域得到广泛应用，为工程设计和生产提供了新的可能性和解决方案。
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一种非洲白蚁巢穴及内部结构
The interior of a typical mound of the South African termitid Amitermes hastatus
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感觉器官与仿生
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触角及其上的传感器
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一些蜂类具有敏锐的听觉
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自然界中存在的天然生物材料有着人工材 料无法比拟的优越功能。材料学家做不出 具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋 中坚固又耐蚀的贝壳等。生物都是由简单 而且廉价的无机和有机材料通过自组装而 形成，但具有精巧的结构。 1992年，美国的秋季材料研讨会增加 了“受生物系统启发的材料研究” （Materials Research Inspired by Biological Systems）这一分会，标志着 仿生材料受到广泛的关注 。
模仿昆虫外部形态及其特征，构建 实用的技术系统或制造产品。 模仿的形态包括：体表形态结构、 翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的 形状、昆虫巢穴形态及结构等。
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仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施
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蝴蝶翅膀鳞片仿生
然置 功 度 阳 模 变不 实 而 光 仿 化断 现 调 照 蝴 的变 对 节 射 蝶 控化 人 体 方 翅 制而 造 温 向 面 。引 卫 的 自 上 起星原动的 温由理变鳞 度于，换片 骤位成角随
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仿生材料学
仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是指从分子水 平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发 出类似或优于原生物材料的一门新兴科学，是化学、 材料学、生物学、物理学等学科的交叉。 人类研究仿生决不是简单的模仿，而是学习自然界生 物精妙结构后的再度升华。 仿生材料学自诞生以来即获得了迅速的发展，特别是 美日等发达国家近年来更是投入了大量的资金和人力 抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进 步.例如，在天然生物的层状结构特征及其仿生材料 和非层状结构特征及其仿生材料的研制方面，以及动 物的皮毛状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范 例。
第九章 仿生材料
1
仿生学 ?
从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词： Bionics (仿生) Biomimetics (仿生)
Bionics取自拉丁文“bios” (生命方式)和词尾“nic”(具 有……性质的).
Biomimesis (生物拟态)
Biognosis (生命论/生物论)
bio-inspiration (生物灵感)
乳突直径为2.89±0.32um，距离9.61±2.92um， 纳米管平均直径为30~60nm， 静态接触角约为1600，滚动角约30。
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蜘蛛丝的结构与仿生
最早研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和 人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。蚕或者蜘蛛吐出的 丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和 美丽的光泽。 人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法， 此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了 许多新型纤维。例如：牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维（东 洋纺），商品名为稀苤的高吸湿性纤维（旭化成）等等。 这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与 内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体和蜘蛛丝 进行了卓有成效的研究，研究者们期待有朝一日能够制造 出与蚕丝完全一样的人造丝。
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疏水——自然界的 启发
水滴在荷叶，鹅毛等 表面随意地滚动。
1999年，Barthlott 和Neihuis认为：自 清洁的特征是由于 粗糙表面上的微米 结构的乳突以及表 面蜡状物的存在共 同引起的； 乳突的平均直径为 5~9um
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碳纳米管法(江雷等): 纳米结构与微米结构结合产生低滚动角
8
筑 巢
9
日本的蜂巢式旅馆
10
11
吉林大学生物与农业工程学院
体表微结构与仿生－防伪技术
某些种类的蝴蝶（如：大凤蝶）的翅 膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发 光的绿色。原因乃是布满蝴蝶翅膀上的微 型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底 反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区 分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何 仿照蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪 技术（如防伪纸币或信用卡）已成为仿生 学家的课题。
22
9.1 生物材料的特征
1、复合特征
地球上的生物材料几乎都是复合材料， 其优良比能靠其组分的复合来保证。而 且生存下来的生物大多数都符合环境的 要求，并成功地达到了优化水平。如骨 骼是由羟基磷灰石和骨纤维构成的复合 材料，不仅强度高，而且韧性好，对该 特征的研究将推动对材料的微观和宏观 优化设计。
3
仿生学：生命科学、物质科学、信息科 学、工程技术、数学与力学、系统科 学等多学科的交叉. 仿生学可应用于所有技术领域和大多数 应用领域.
生活中的仿生学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟
轮子 船橹 透镜 电池 飞机
4
昆虫是地球上分布 最广的动物
天 地 地 水 上 上 下 中 飞 爬 钻 游
5
昆虫形态的仿生
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西瓜纤维素的结构与仿生
植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常 见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发 下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸 水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的， 能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分， 现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材 料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和 输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将 来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用 一片薄膜就可。