仿生材料PPT课件
合集下载
仿生材料学的研究现状及应用ppt课件
10
4.1.2仿生材料设计及制备
3.仿动物骨骼哑铃型增强体的优化设计。 • 动物长骨的外形为中间细长两端粗大, 并圆
滑过渡到中部, 避免了应力集中, 有利于应力 转递, 减缓压应力的冲击, 与肌肉相互配合, 使肢体持重比提高, 受此启发把短纤维设计 成哑铃状。 • 经过理论计算, 可得到端球与纤维半径的 最佳比值 , 该模型用模型材料得到了较好的 证实, 其强度提高了1.4倍.
8
4.1.2仿生材料设计及制备
1. 仿竹复合材抖的优化设计。天然竹材是典 型的长纤维增强复合材料, 其增强体 维管束 的分布不均匀。外层致密, 体内逐步变疏。 竹干的机械性能, 如拉伸、弯曲和压缩强度 和模量, 随径向的分布一般是在外层高,内层 低。这砷设计与竹主要受风或雪等引起的 弯曲载荷相对应。竹材的结构符合以最少 的材料和结构发挥最大效能的原理, 实验表 明, 仿竹结构复合材料比不仿生材料的弯
2.仿植物纤维微观结构的增强体和复合 材料界面的优化设计。生物体中纤 维的层次结构别具特色, 如竹纤维 包含多层厚薄相间的层, 每层中的 微纤丝以不同升角分布, ( 厚层为3 ~ 100, 薄层30 ~ 450相邻层间升角逐 渐变化, 避免了几何和物理方面的 突变, 层间结合大为改善, 据此提出 仿生纤维模型如图1b [川。实验表 明其压缩变形要比普通纤维高3 倍 以上。受其多层、渐变概念的启发, 为纤维增强金属基复合材料设计的 多层梯度界面模型是过渡层/ 阻挡 层/ 润湿层[6], 碳纤维/A l复合材料 实验结果表明, 其高温强度比未仿 生的高出5 倍以上.
5
4.1.1 根据生物材料的优良特征 进行仿生研究
2.根据功能适应性研制自组装、智能化材料。不论从 形态学还是力学的观点看, 生物材料都是极其复杂 的, 这种复杂性是长期自然选择的结果, 是由功能适 应性决定的[5]。树木通常生长挺直, 一旦倾斜, 偏离 了正常位置, 便在高应力区产生应力木, 恢复正常位 置困, 这说明树木具有反馈功能和自我调节作用。 如智能水槽、不怕水泡的橱柜、传感器材料等。
4.1.2仿生材料设计及制备
3.仿动物骨骼哑铃型增强体的优化设计。 • 动物长骨的外形为中间细长两端粗大, 并圆
滑过渡到中部, 避免了应力集中, 有利于应力 转递, 减缓压应力的冲击, 与肌肉相互配合, 使肢体持重比提高, 受此启发把短纤维设计 成哑铃状。 • 经过理论计算, 可得到端球与纤维半径的 最佳比值 , 该模型用模型材料得到了较好的 证实, 其强度提高了1.4倍.
8
4.1.2仿生材料设计及制备
1. 仿竹复合材抖的优化设计。天然竹材是典 型的长纤维增强复合材料, 其增强体 维管束 的分布不均匀。外层致密, 体内逐步变疏。 竹干的机械性能, 如拉伸、弯曲和压缩强度 和模量, 随径向的分布一般是在外层高,内层 低。这砷设计与竹主要受风或雪等引起的 弯曲载荷相对应。竹材的结构符合以最少 的材料和结构发挥最大效能的原理, 实验表 明, 仿竹结构复合材料比不仿生材料的弯
2.仿植物纤维微观结构的增强体和复合 材料界面的优化设计。生物体中纤 维的层次结构别具特色, 如竹纤维 包含多层厚薄相间的层, 每层中的 微纤丝以不同升角分布, ( 厚层为3 ~ 100, 薄层30 ~ 450相邻层间升角逐 渐变化, 避免了几何和物理方面的 突变, 层间结合大为改善, 据此提出 仿生纤维模型如图1b [川。实验表 明其压缩变形要比普通纤维高3 倍 以上。受其多层、渐变概念的启发, 为纤维增强金属基复合材料设计的 多层梯度界面模型是过渡层/ 阻挡 层/ 润湿层[6], 碳纤维/A l复合材料 实验结果表明, 其高温强度比未仿 生的高出5 倍以上.
5
4.1.1 根据生物材料的优良特征 进行仿生研究
2.根据功能适应性研制自组装、智能化材料。不论从 形态学还是力学的观点看, 生物材料都是极其复杂 的, 这种复杂性是长期自然选择的结果, 是由功能适 应性决定的[5]。树木通常生长挺直, 一旦倾斜, 偏离 了正常位置, 便在高应力区产生应力木, 恢复正常位 置困, 这说明树木具有反馈功能和自我调节作用。 如智能水槽、不怕水泡的橱柜、传感器材料等。
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
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
天然蜘蛛丝仿生材料课件ppt
蛋白基因仿生生物表达法
蜘
蛛
链段及二次结构仿生化学合成
丝
仿
微观结构仿生物理复合法
生
思
金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性
路
……………………
Heim2M0.2, K1/e3e/r1l D0. Scheibel T., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(20), 3584-3596
蜘蛛属肉食性动物，不喜群居；再将一定数量的蜘蛛饲养在一起时，蜘蛛之 间会相互撕咬，则无法像养家蚕一样饲养蜘蛛获得大量的蜘蛛丝；并且由于蜘蛛 本身腺体较多，不同腺体产生的丝性能不同，无法得到单一性质的蜘蛛丝。
另外，由于天然蜘蛛丝难以加工成为其他的特定形状以供不同用途所需，则 应用范围收到极大限制，因此需要寻求新的方法和途径来获得具有天然蜘蛛丝相 似结构和功能的新材料。其中，利用仿生学原理，通过研究蜘蛛丝的结构和功能， 来人工合成蜘蛛丝仿生材料是其中很重要的途径。
2021/3/10
8
Lewis R. V. et al.,Protein Exp Purif,1996(7):400-406.
微生物作为载体进行基因表达
收集菌体通过超声波破碎法裂解，清 洗后经行电泳实验测定蛋白。
植物作为载体进行基因表达
Potato Grater
Fractioning in wet-process
11
Lazaris A, et al. Science, 95(2002), pp. 472-476
2.2 链段及二次结构仿生化学合成法
天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元（主要为丙氨酸和甘氨酸 单元）组成的链段共聚物，其二次结构主要包括β-折叠构象和螺旋构象，通过 链段及二次结构仿生化学合成法，从分子结构出发，可以设计具有天然蜘蛛丝 蛋白链段结构和二次结构类似的各种聚合物，这为天然蜘蛛丝仿生材料的发展 开拓了一个崭新方向。
《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 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
仿生智能材料--ppt课件
在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼 阻力降低85%。
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（1）多功能砖
具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能， 并能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；
ppt课件
10
ppt课件
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。
ppt课件
12
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
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。
ppt课件
7
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。
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。
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
ppt课件
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（1）多功能砖
具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能， 并能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；
ppt课件
10
ppt课件
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。
ppt课件
12
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
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。
ppt课件
7
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。
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。
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
ppt课件
第8章 仿生复合材料PPT课件
You Know, The More Powerful You Will Be
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 长度为30～ 130m 的刚毛, 每只脚上就有近50万根刚毛, 并且 每根刚毛又有400～ 1000 根直径为0.2～0.5 m 的 细分叉, 因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点, 总的范德华力相当大, 足以支持壁虎的全身重量。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
结构 决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区 和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的 形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
55
2.蚕丝：“纤维皇后” 蚕丝由20 多种氨基酸组成, 结构复杂, 内层
为丝素蛋白, 外层被丝胶蛋白包覆。
蚕丝优异的力学性能： 沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又
23
为什么会有这种“荷叶效应”？
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度来解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
• 经过2位德国科学家的长期观察研究，即在1990年 代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。
• 尾肢可对秒数2公分的风做 出反应
• 可做微流速感知器
13
仿生材料科技的新思维
• 多从自然界动植物中寻求灵感 • 从事以生物为材料主体的研究 • 再生利用, 源源不绝的概念
14
一、仿生壁虎胶带
壁虎胶带
15
电镜显示, 壁虎脚上有密集的刚毛, 长度为30～ 130m 的刚毛, 每只脚上就有近50万根刚毛, 并且 每根刚毛又有400～ 1000 根直径为0.2～0.5 m 的 细分叉, 因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点, 总的范德华力相当大, 足以支持壁虎的全身重量。
可以防止受到细菌、病原体的感染， 只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。 目前荷叶效应的概念主要是应用在防污防尘上， 通过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、
衣料内等等， 使其具有某些程度的自洁功能，以实现防水防尘的目的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
主要参考资料：
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
长脖的苍鹭-----远距离捕食的高手
用矛捕鱼或娴熟的标枪能手
长尾巴的禾鼠-----随处攀爬的高手
平衡杠或安全绳的应用
蜘蛛的成丝过程-----各种因素协同作用下的液晶态干法纺丝
4．能量仿生
能量仿生：研究与模仿生物器官生物发光发电、肌肉直 接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。
电鱼（电鳐、电鳗等）-----发电器官能产生几百伏电压 萤火虫-----高发光效率 植物的光合作用（蓝藻等） 人工合成冷光源 仿生光解水装置制备氢能源
设计伏打电池
5．信息处理与控制仿生
信息处理与控制仿生：研究与模拟生物体中的感觉器官、 神经元与神经网络以及高级中枢等智能系统的信息处理 过程。
等级制度
麝牛意识到危险来临， 立刻围成圆阵
军事仿生学
狼群战术（集群攻击） 蛙跳（蛤蟆）战术 (向若干个重要目标做跳跃进攻） 蚕食战术（像饿蚕进食那样小口快吃，步步为营） 敲山震虎战术（以打促降攻心制敌） 麻雀战术（四面八方以游击战消耗、迷惑、杀伤敌人） 蚁海战术（聚集力量） 小鱼吃大鱼战术（仿硬颚鱼对付鲨鱼的“钻肚子”或“掏心”战
高分子材料成型原理、材料学及生物学的基本知识。
课程学习目的与要求：
本课程将在介绍自然界中生物的结构、功能或行为过 程等的基础上，进一步介绍近年来国内外研究人员受 生物启发（Bio-inspired）或模仿生物（Biomimetic） 的各种特性而开发的仿生材料及其研究进展，使学生 初步了解仿生材料领域国内外的最新研究动态及各种 仿生材料的加工技术。
大象的奇妙行为-怪异的步伐
大象的奇妙行为
大象属于恒温动物 大象能承受的体温变化较大 大象居于炎热地带 其散热方式和身体结构有关。
大象的奇妙行为
大象的沟通方式很复杂。 同步前进相隔很远的象群是怎样进行 遥感沟通的?
蚂蚁的奇妙行为
分工合作、发挥集体智慧的行为 能拖动比自身体重大几十倍的食物 喝雨水再排尿的防穴内进水绝招 ……
第一章 绪 论
第一节 仿生学
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
仿生学
研究并模仿生物系统的结构、形状、功能、原理、 行为过程及相互作用等从而为工程技术提供新的 设计思想、工作原理和系统构成的科学
是生物学和技术学相结合的交叉学科 涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域
仿生技术
通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生 物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的 新型仪器、机械等。
和拨水性 (water repellent )； 生物的骨骼构造比钢铁强硬； „„„
大象的奇妙行为
大象是陆地上最大的动物，现存的大象仅有 非洲象和亚洲象。 非洲象体型较大，最大的雄象约7吨重，雌 雄象都长有发达的象牙； 亚洲象略小，最大的体重约5吨，只有雄象 才长有发达的象牙。 大象是如何支撑其身体的重量的?
仿生材料（Biomimetic Materials）
东华大学材料学院 邵惠丽
松江校区第五学院楼C566
材料开发的新思路
天然可再生资源的利用, 源源不绝、环境友好、低碳发展的概念
多从自然界动植物中寻求灵感
从事绿色材料、仿生材料的研究
仿生材料（Biomimetic Materials）
预备知识：
20 世纪40 年代前
潜水艇的沉浮系统的开发
（装载石块→交替充排水浮箱→压载水舱）
鱼充气的鱼鳔
（分泌或吸收氧气）
雷达、战艇侦察手段的开发 统
（噪声测向仪→声纳系统）
蝙蝠、海豚的“回声定位”系
高速飞机的开发
蜻蜓翅膀上的翼眼
（在机翼前缘的远端上安放加重装置以消除颤振）
现代仿生学的诞生
20世纪60年代起,仿生学“Bionics” 的构成
处于起步的实验室阶段 受关注的力度还相当不够
国家自然科学基金项目“直翅目昆虫线粒体DNA的分子系统学研究”-7万 教育部基金项目“单拷贝核基因在昆虫分子系统学上可用性的研究”-8万 国家自然科学基金项目“昆虫G6PD基因结构和序列进化的比较研究”-16万
美国“蜜蜂基因组测序的研究 ”-600万美元
消除应力集中、 用最少的建材承受最大的载荷 减少湍流 提高航速
贝壳结构 修造大跨度薄壳建筑 股骨结构 建造立柱 海豚皮肤的沟槽结构 包敷人工海豚皮于船外壳 啄木鸟脑壳的海绵状组织骨骼
制备类似材料用于包装运输领域
减震
3．行为过程和加工方法仿生
行为过程和加工方法仿生：研究并模仿生物体某些特殊 的行为过程及其功能或加工方法(体内物理和化学过程 )的原理。
田径比赛
起跑姿势：下蹲式（仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳 游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）
比直立式更快）
第二节 人类仿生的发展历史
鲁班 观察丝矛草叶子
仿其边缘的细齿结构
发明锯子
观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体 发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵 鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下” 达· 芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 （飞机的雏型）
全美第一届仿生学讨论会的召开—标志着仿生学的诞生
20世纪90年代起,材料仿生的真正起步
(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired) 仿生学领域的不断拓展（人居仿生学、企业仿生学、仿生减肥等） 直接开发生物系统本身（鳗脑指挥机器人、飞蛾触须探测爆炸物等）
第三节
仿生材料
研究特点
对生物神经系统和感觉器官的仿生居多(80%) 最广泛地运用类比、模拟和模型方法
生物原型-----基础 数学模型-----桥梁 硬件模型-----目的
国内外研究现状
国外不断在加强、深入 各种微型仿生飞行器的试制（微型间谍苍蝇） 仿生视网膜技术装置（含4000感光器的电子芯片） 鳗脑机器人等 模拟昆虫集体行动的计算机软件设计 仿生物钢-蜘蛛丝
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
eg：苍蝇超越的抵抗 细菌的能力:蝇蛆可分 离具有高强杀菌作用 的”抗菌肽” eg：舞毒蛾 合成类似蛾性引诱激 素成分的有机化合物 诱杀雄虫
从舞毒蛾的行为-------“仿生诱芯”的合成及应用
舞毒蛾有趣行为的观察：
夜晚有许多雄蛾围着有活雌蛾（残体）的小笼不停地盘旋。
舞毒蛾有趣行为的分析：
雌蛾伸出腹部的腺体，释放求爱的化学气味。
仿生学的分类
社会仿生学（模仿生物的群体意识等） 化学仿生学（在分子水平或分子层次上进行仿生） 机械仿生学 建筑仿生学 电子仿生学 计算仿生学（神经网络、遗传等算法） 军事仿生学 运动仿生学（仿飞禽走兽的动作健身） 美容仿生学
社会仿生学
生物社会中的三个特征 地域观念
有各自的活动的群体活动
已从基础研究发展到商业化竞争阶段
, 2007
国内外研究现状
国内刚刚在起步、摸索
2002年起相关研究列入863计划前沿探索类项目 2003年10月香山科学会议（主题：飞行和游动的生物力学与仿生技术） 2003年12月香山科学会议（主题：仿生学的前沿和未来） 2004年8月北京自然博物馆举办《昆虫微观结构与仿生》的展览。
发展瓶颈
1）搞清生物系统的机制 复杂性 研究的长周期性 2）多学科的密切协作
对生物的了解 生物学家 工程技术专家
利用生物学的研究成果进行仿生设计
材料科技的突破 才是最後對人类智慧的實踐
术）
运动仿生学
太极拳运动 ：
伸舒筋骨）
白鹤亮翅（仿善飞的白鹤展翅欲飞动作 抱虎归山、倒撵猴
气功“五禽戏动功” ：
猛虎扑食、鹿糜奔跃、熊步蹒跚、鹏鸟展翅、猿猴攀登
少林拳
仿虎 ：白虎洗脸、猛虎转身、老虎靠山、老虎弹爪、大虎抱头、老虎摆尾、虎 下山、黑虎破胆、猛虎跳涧、猛虎穿林、猛虎观鹿、老虎张口、老虎坐桩、饿 虎登山、黑虎望山、黑虎钻木、黑虎抓心…….. 仿豹：豹子出洞、豹子扣爪、豹子缩身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回头 仿马 ：野马上槽、野马奔川、野马弹蹄、野马分鬃 仿猴 、仿猿 、仿鹤 、仿鹰 、仿燕 、仿雁 ……..