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1、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C566Tel：67792953 E-mail：HLS材料开发的新思 路n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n多从自然界动植物中寻求灵感n从事绿色材料、仿生材料的研究n预备知识：高分子材料成型原理、材料学及生物学的基本知 识。n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
2、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。 仿生材料（Biomimetic Materials） 主要参考资料：nNature近期杂志。nScience近期杂志。nBiomacromolecules近期杂志。nAdvanced Materials近期杂志。nInternational Journal of Biological Macromolecules近期杂志。n 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工 业 出版社（2004）。第一章 绪 论 第一节 仿生学n蜘蛛丝的强韧性；n蜻蜓出色的飞行本领；n苍蝇的多种特殊功能；n孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；n夜间活动型蛾（Night Moth
3、）的眼n蜂巢奇妙的构造； n蟑螂灵敏的感知能力；n啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；n墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩；n蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；n荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )和 拨水性 (water repellent )； n生物的骨骼构造比钢铁强硬；n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?大象的奇妙行为-怪异的 步伐大象的奇妙
4、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?大象的奇妙行为蚂蚁的奇妙行为n分工合作、发挥集体智慧的行为n能拖动比自身体重大几十倍的食物n喝雨水再排尿的防穴内进水绝招nn蜘蛛丝的强韧性；n蜻蜓出色的飞行本领；n苍蝇的多种特殊功能；n孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；n夜间活动型蛾（Night Moth）的眼n蜂巢奇妙的构造； n蟑螂灵敏的感知能力；n啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；n墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩；n蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能
5、量；n荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )和 拨水性 (water repellent )； n生物的骨骼构造比钢铁强硬；n生物的各种奇妙功能 给人类启发 -仿生思维模仿生物本领 造出仿生材料 新兴学科仿生学（仿生材料）人类进化：500万年 生命进化：约35亿年形成了最优化的形态结构、 最有效的物质代谢和再循环系统、 最精确的控制和协调过程。 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
6、等学科 领域n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。仿生学社会仿生学（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） 美容仿生学仿生学的分类社会仿生学生物社会中的三个特征n地域观念有各自的活动范围 n群体意识团结协作的群体活动 n等级制度 麝牛意识到危险来临， 立刻围成圆阵军事仿生学n狼群战术（集群攻击）n蛙跳（蛤蟆）战术 (向若干个重要目标做跳跃进攻）n蚕食战术
7、（像饿蚕进食那样小口快吃，步步为营）n敲山震虎战术（以打促降攻心制敌）n麻雀战术（四面八方以游击战消耗、迷惑、杀伤敌人）n蚁海战术（聚集力量）n小鱼吃大鱼战术（仿硬颚鱼对付鲨鱼的“钻肚子”或“掏心”战术 ） 运动仿生学n太极拳运动 ：白鹤亮翅（仿善飞的白鹤展翅欲飞动作 伸舒筋骨）抱虎归山、倒撵猴n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 n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
8、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 .n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 比直立式更 快）游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙） 第二节 人类仿生的发展历史n鲁班 观察丝矛草叶子 仿其边缘的细齿结构 发明锯子 n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 n鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”n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） 20 世纪40 年代前n潜水艇的沉浮系统的开发 鱼充气的鱼鳔（装载石块交替
9、充排水浮箱压载水舱） （分泌或吸收氧气） n雷达、战艇侦察手段的开发 蝙蝠、海豚的“回声定位”系 统 （噪声测向仪声纳系统） n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n20世纪60年代起,仿生学“Bionics” 的构成 全美第一届仿生学讨论会的召开标志着仿生学的诞 生n20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 仿生材料仿生材料定义： 人类受生物
10、启发或模仿生物的各种特性、行 为、结构等而开发的材料。研究范围主要包括：分子仿生、结构（力学）仿生、行为过程和 加工方法仿生、能量仿生、信息处理与控制 （神经）仿生等。 1. 分子仿生 n分子仿生：研究与模 拟生物体中酶的催化 作用、生物膜的选择 性、通透性、生物体 成分或其类似物的合 成等。 neg：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” neg：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n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。n舞毒蛾有趣行为的分析：雌蛾伸出腹部的腺体
11、，释放求爱的化学气味。n我国科学家展开的成分仿生：破译雌蛾的这种化学语言（分析性引诱激素）研制出“仿生诱芯”（模仿性引诱激素的化学结构人工合成类似有机化合物）n在农林害虫防治预测中的应用将其（千万分之一微克）加入诱捕器引诱雄蛾，既杀虫，又可预测害虫的发生期。n我国已研制成功60多种“仿生诱芯” 2结构仿生 结构仿生：研究并模仿生物体大体结构与精细结 构的静力学性质、生物体各组成部分在体内相对 运动和生物体在环境中运动的动力学性质及其它 结构功能。 n贝壳结构 修造大跨度薄壳建筑股骨结构 建造立柱n海豚皮肤的沟槽结构 包敷人工海豚皮于船外壳n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
12、 域消除应力集中、 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。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。 n电鱼（电鳐、电鳗等）-发电器官能产生几百伏电压 设计伏打 电池n萤火虫-高发光效率 人工合成冷光源n植物的光合作用（蓝藻等）
13、 仿生光解水装置制备氢能源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。n蜜蜂、蚂蚁等偏振光定向本领 制成偏光天文罗盘用于航海和航空的 定向n鸽子视网膜系统对外界特殊的反应能力 研制电子鸽眼用于预警雷达 系统n昆虫等感觉器官的高度灵敏性 制成各种传感器和测试仪蟑螂灵敏的感知 能力n從感知風速到逃跑只需 0.044秒，人類需要0.3 秒n尾肢可對2公分/秒的風 做出反應n可做微流速感知器研究特点 n对生物神经系统和感觉器官的仿生居多(80%)n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-
14、目的国内外研究现状 n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n已从基础研究发展到商业化竞争阶段 , 2007国内外研究现状 n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。n处于起步的实验室阶段 n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 发展瓶颈 n1）搞清生物系统的机制复杂性 研究的长周期性n 2）多学科的密切协作对生物的了解 生物学家利用生物学的研究成果进行仿生设计 工程技术专家材料科技的突破 才是最後對人类智慧的 實踐
