仿生材料 刘珠

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1、仿生材料报告人:刘珠Date1自然界的智慧自然界的智慧古代古代鲁班造锯：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。现代现代Date2自然界的智慧自然界的智慧蜻蜓翅膀时，发现在每 个翅膀前缘的上方都有 一块深色的角质加厚区 翼眼或称翅痣。翼 眼的角质组织使蜻蜓飞 行的翅膀消除了颤振的 危害。这样就可以解决 机翼的颤振的问题，减 少机翼折断的可能。 飞机飞机颤振Date3自然界的智慧自然界的智慧当光线照射到一个物体时，物 体会将光线反射回来。反射的 光线进入人们的眼睛，于是眼 睛就看到了该物体。这就是物 体可见的原理。而由“超材料” 制成的隐形衣则具有负反射

2、率 的特点，可以紧紧吸住照射过 来的光波，让光波辐射沿最内 圈弯曲，只停留在衣服周边缓 慢波动，而不会反射出去，于 是就产生了隐形效果。穿上隐 形衣的人也将隐藏于其中。隐身衣隐身衣Date4主讲内容主讲内容研研 究究 现现 状状研研 究究 背背 景景研研 究究 内内 容容前前 景景 展展 望望Date5仿生概念很早就提到了，上世纪二十年代年大不列颠百科仿生概念很早就提到了，上世纪二十年代年大不列颠百科 全书中就有全书中就有BIONICSBIONICS这个词，仿生这个概念过去更多的是出这个词，仿生这个概念过去更多的是出 现在童话小说里面，经过科学发展这么多年以后，为什么仿现在童话小说里面，经过科

3、学发展这么多年以后，为什么仿 生学从科幻变成了现实科研的一个主题呢，最主要的原因跟生学从科幻变成了现实科研的一个主题呢，最主要的原因跟 社会发展有关系，社会发展到现在为止，人们想模拟天然和社会发展有关系，社会发展到现在为止，人们想模拟天然和 自然界的高效节能和智能。自然界的高效节能和智能。研究背景研究背景仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文（bios 生命 方式的意思）”和字尾“nlc（具有的性质的意思）”构 成的。Date6人类探索自然的历程经历了数千年, 然而至今仍然不能对生命的运作 施加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发 性从6 亿年前的单细胞组合开始, 造

4、就了海藻、水母、昆虫、鸟兽, 直至人类这样的多细胞生物体，生物化石等等。因而就激发了今天的 人类仿造天然的灵感。材料科学技术与生物技术、信息技术和能源技术一起成为 现代社会文明发展的四大支柱.从材料的角度来研究生物 体的规律，进行仿生设计，为新材料的设计和制备开辟了 新的途径.仿生材料的发展日新月异，它已成为生物科学 、材料科学、医学、矿物学、化学等众多学科的研究热点 ，并在各领域取得了一定的进展.这一切充分说明仿生材 料这门年轻学科正在成熟，其广阔的研究和应用前景不可 估量。研究背景研究背景Date7研究背景研究背景相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾 巴的摇摆而游动、转弯，他

5、们就在船尾上架置木桨。通过反 复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了的船力， 掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中， 人们也能让船只航行自如。据韩非子记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下” 。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早 在四百多年前，意大利人利奥那多达芬奇和他的助手对 鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的 飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞 行器。 Date8国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始 于20 世纪80 年代。目前, 国际上一流大学都已把 生物材料放在优先发展的地位。研究现状研究现状中国生物与仿生材

6、料研究者在这一领域已取得国际瞩目的 研究成果。自1988 年中国生物无机化学家王夔(kui)院士和 材料学家李恒德院士将生物矿化的概念介绍到国内后, 中国 的生物矿化研究开始逐渐形成规模。其中很重要的一个方面 就是在学习矿化材料合成方法的基础上, 研究并实施新的材 料制备策略。而深入进行这些工作的一个重要前提就是表征 天然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理。Date9仿生学是以生物为研究对象，研究生物系统的结构 性质、能量转换和信息过程，并将所获得的知识用 来改善现有的或创造崭新的机械、仪器、建筑结构 和工艺过程的科学，使生物科学与工程技术相结合 的一门综合的边缘学科。研究内容研究内容

7、仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材 料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的 结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。研究内容研究内容Date10仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science) , 它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 的一门新兴学科, 是化学、材料学、生物学、物理学等学科 的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成 。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起, 形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟 生物对象的结构, 更要模拟其

8、功能。将材料科学、生命科学 、仿生学相结合, 对于推动材料科学的发展具有重大意义。 自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、 微观结构, 并且具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比 刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。研究内容研究内容Date11仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及 产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去 设计和制造新的技术设备。 研究方法研究方法仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。 Date12研究程序大致有以下三个阶段： 研究方法研究方法生物模型数学分析数学模型生物原型的研究实验实物模型生物模型数学分析数学模型数学分析实验实验实物模型实验Dat

9、e13仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供 各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿生学 的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范 围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随 着现代工程技术的发展，学科分支繁多，在仿生学中相应地 开展对口的技术仿生研究。研究内容仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即 动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机 械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年又出 现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等 。 Date14在第一届仿生

10、学会议上发表的比较典型的课题有：“人造 神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用 机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子 仿生的研究比较广泛。 研究内容仿生学的研究内容，从模拟微观世界的分子仿生学到宏观 的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正 是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时 代，仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起， 同时对生物学的发展起了极大的促进作用。Date15研究内容在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在 方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析 的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展 又是以仿

11、生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送 宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展。 因此，仿生学的科研显示出无穷的生命力，它的发展和 成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。 Date16著名的生物矿化和仿生纳米材料学家, 英国 Bristol 大学S.Mann 教授在2002 年美国Gordon 会 议上有一个题为“基质诱导成核: 一个矿化过程的 介观现象?”的精彩报告。报告指出, 生物矿物通常 在有机的模板如大分子框架、脂膜或细胞壁表面合 成。仿生材料化学Date17第一,需要理解生物源的矿物生长和形态发生,例如, 磷酸 钙、碳酸钙和氧化硅如何在有机分子和有机表面存在时发生 沉积过

12、程。 第二, 利用生物结构和系统, 在实验室内模拟矿化过程, 从 而在有机组分如病毒和细胞内合成无机材料, 这将是仿生材 料合成最主要的推动力。 第三, 生物矿物的力学性质的研究, 为具有高的断裂韧性和 强度的人工骨等人工合成材料的制备提供方法。仿生材料化学Date18仿生制备是近年来新的研究课题。最早的尝试是 材料的成分仿生。天然硬组织很少由纯的无机矿物 构建, 几乎所有优异的生物矿化材料都采取了有机 分子调控无机相生长的策略。因此, 生物材料专家 开始考虑如何将性能完全不同的有机相与无机相结 合起来, 制备具有优异力学性能, 甚至具有天然材 料分级结构。仿生制备Date19仿生制备不仅仅是

13、一个材料学问题, 它的发展最 终成为一个涉及分子生物学、细胞学、疾病医学和 组织工程材料学、化学、生物力学的新的交叉学科 。仿生制备Rodan G A ,M artin T J. Therapeut ic app roaches to bone diseases J . S cience, 2000, 289 (5484) : 1508 1514.和 Teitelbaum S L. Bone reso rp tion by o steoclasts J . S cience,2000, 289 (5598) : 1504 1508.这两篇文章发表了骨的重 构与修复专辑, 讨论骨的细胞、分子生物

14、学和组织工程构建问 题, 以及如何进行骨骼疾病的治疗。Date20研究范围仿生学的研究范围主要包括： 力学仿生、 分子仿生、 能量仿生、 信息与控制仿生等Date21研究范围分子仿生 是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、生物大分子或其 类似物的分析和合成等。 例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学 结构后,合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫 笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。Date22研究范围力学仿生 是研究并模仿生物体大体结构与 精细结构的静力学性质，以及生 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。 例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度

15、薄壳建筑， 模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中 的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军 事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包 敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。 Date23研究范围能量仿生 是研究与模仿生物电器官生物发光、 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 例如，从萤火虫到人光冷光。 Date24研究范围信息与控制 仿生 是研究与模拟感觉器官、神经 元与神经网络、以及高级中枢 的智能活动等方面生物体中的 信息处理过程。 例如，根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪” 可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制 网络的工作原理，研制成功可增强图像

16、轮廓、 提高反差、从而有助于模糊目标检测的些装置。 已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上 构造出新型计算机。 Date25研究范围某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学 仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一 方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于 生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神 经科学最大的挑战。 Date26研究范围人工智能和智能机器人研究的仿生学方面生物模式识 别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物 体中控制的可靠性和协调问题等是仿生学研究的主攻 方面。 最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的 突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理 解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。 般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物 原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的， 而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。 Date27仿生例子形状仿生蚂蚁车Date28仿生例子荷