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1、GB/T XXXXX XXXX/ISO 18457:201624附录A（资料性附录）材料仿生、结构和组件范例A.1概论从生物系统到技术材料或组件进行仿生的特征要素，其范围从分子结构到宏观形状不等。A.2启迪于生物灵感的聚合物分子水平的材料结构可通过一些生物聚合物出色地表现出来，例如巴西橡胶树及其栽培菌株的汁液制成的天然橡胶以及跳蚤和蚱蜢韧带中的弹性蛋白。它们的高弹性和高机械负载能力远远超过大多数合成聚合物材料的性能。在个别情况下，可以使用合成方法阐明所需特性与潜在分子结构和模型之间的关系，如可以从石油化学制造的原材料中制造具有新特性的塑料。一方面，使用新型催化剂取得成功，另一方面，使用合适的起
2、始分子（单体）。因此，可以控制立体规整性，产生分子和/或分支的嵌段，并控制分子量分布。尽管取得了初步成功，但这些方法才刚刚开始发挥其全部潜力，并且在某些方面已经高度让人联想到生物生长过程的精确性和可变性。只有未来才能确定一种特别高性能的聚合物结构是否会受到特定生物系统的启发，或者，在自然界中通过衍生几个基本分子获得的功能带宽更有可能成为大分子化学的整体灵感。A.3类珍珠母仿生微纳结构大多情况下，那些具有优良性能的生物材料是由“硬质”和“软质”两种单元（骨骼、牙齿，蚌壳、硅胶骨架和磁性纳米粒子排列而成的长链，如趋磁细菌）所组成的。与混合材料的纳米结构和微米结构设计以及相应的层级结构和各向异性结构
3、相比，材料的组分在这种情况下所起的作用相对要小。这些设计结构能够使生物材料在达到良好水平的断裂韧性的同时还具备高的强度和刚度。仿生材料中备受关注的材料模式当属由碳酸钙（文石）和蛋白质构成的珍珠母，即蚌壳中的材料。尽管其所拥有的有机材料非常少，但与陶瓷材料相比，珍珠母却明显具有一种更高的断裂伸长率。自然界生物体或多或少地采用了钙这种“劣质性”组成材料，但其拉伸强度超越了石英陶瓷和高分子层状的硅酸盐纳米复合材料，同时还获得了高的刚度（与陶瓷相比，见表A.1）。实现这种特性的原因在于其应用珍珠母构建了类似于砖墙（见图A.1）的结构。图 A.1珍珠母的层级结构GB/T XXXXX XXXX/ISO 1
4、8457:201625表 A.1珍珠母、石英陶瓷和纳米复合聚合物材料属性对比（依据文献19和20）刚度（拉伸模量）抗拉强度断裂伸长率有机物占比GPaMPa%珍珠母40-7080-13512石英陶瓷50-8025-40 95通过对珍珠母的研究可以确定，能与矿物相相互作用的聚合物对复合材料的生产尤为重要，因为其在复合材料中为分散的矿物相起到了一种“粘合剂”的作用。这已在仿生珍珠母类似物的制备研究中有所体现。例如，使用充电层状硅酸盐和带相反电荷的聚合物通过连续沉积可制备出一种珍珠母类似物，其所拥有的力学性能可匹配甚至超过了那些天然珍珠母所使用“粘合剂”的材料属性21。在这种情况下，表面改性的蒙脱石层
5、状硅酸盐与聚阳离子（pDADMAC）被沉积在一起，然后将其与所剩的具有多价阴离子的游离性离子基团联系在一起，这样就可制造出一个具有与天然珍珠母机械属性相匹配的力学属性、厚度约为 30微米的柔性半透明薄膜。由于离子的相互作用，这些材料还具有自愈合的特性19。A.4类珍珠母的干预颜料在微尺度范下一个重要仿生产品群体是类珍珠母的干预涂料。尽管在较早期关于仿生开发和制造的相关论文中并未使用过“仿生学”一词，但在生物学中都提到过类比法，并基于类比法详细描述了技术类比的目标。珠光颜料的生物模型可在珍珠母中找到，但在如鲱鱼、沙丁鱼和欧鮊鱼这些鱼鳞上的小块胞质形状的结晶鸟嘌呤颜料中特别容易发现。鸟嘌呤颜料具有
6、优良的纵横比，长20至50微米，宽 1至10微米，厚度仅为 25至75纳米。它们的折射率约为1.8，而且，小块胞质的形状是导致其特殊光滑效应的原因，虽然具有透明和超薄的属性，但同时却拥有良好的反射特性。在鱼鳞中提取鸟嘌呤颜料从技术角度来说十分复杂且花费昂贵。鉴于这些原因，科学家们在最初试图对鸟嘌呤颜料进行人工合成但并未获得成功，之后又尝试从其它材料中制作小块胞状形晶体。然而，在这种条件下很难对晶体的生长进行控制以获得所期望的形状，并且这些材料往往还可能对人类和环境（碳酸铅）造成毒害或在应用时表现出其它缺点（氯氧化铋）。现代珠光颜料主要基于云母片晶涂覆二氧化钛。天然云母拥有原子级的平滑表面，可充
7、当理想的透明基板。基板上的二氧化钛层的厚度可达200纳米。根据不同的厚度会呈现出光泽效应和干涉效应。像生物性鸟嘌呤这种云母片晶就具有非常高的纵横比，便于在组件表面上进行平面平行性排列。珠光颜料可被特别用于能产生光泽和色彩变化效应的漆器和化妆品中。A.5自锐工具跨越微观层面和宏观层面的仿生材料和结构的一个范例是自锐切割工具。啮齿动物的牙齿在进化过程中，其牙齿已成为一种极为高效的自锐切割工具。啮齿动物门齿前侧的釉质少于其它部位的牙齿（硬度：HV400）。当切割食物时，釉质薄层形成一个无掩蔽的的表面，其覆盖并固定于牙体之上。同时，牙质比釉质（硬度：HV200）要软得多，且在切割食物时磨损得更快。因此
8、，釉质保持了高质量的切削刃，并且在吃食物时牙齿甚至可被再次锐化（参见图A.2a）。GB/T XXXXX XXXX/ISO 18457:201626除了这些基本结构外，牙齿的微观结构在这种切割系统的功能中起着一种极为核心的作用。牙釉质包含有放射状牙釉质，其可以使受力进行有效地传递并在顶侧提供了一种低摩擦的条件。为了重新将受力引导至底部并防止在牙釉质/牙本质层形成长形裂缝，其在下方拥有所谓的施雷格线。自锐刀具开发的一个主要挑战是要掌握材料切割和所需切削工具之间的摩擦过程和具体操作方法，以及如何使无遮蔽侧的硬质层避免出现裂纹和剥落的相关知识22。然而，抽象提取知识已经为技术的移植打奠定了基础。使矿物
9、填充塑料的预应力钢缆的切割应用的自锐机械刀具（Rodentics?）的开发已经成为可能。图 A.2田鼠牙齿结构,a)前齿结构被减少了的牙釉质层影像;b)微观结构的牙釉质(RS：放射状牙釉质，HSB：施雷格线，EDJ：釉质/牙质连接层，D：牙本质)A.6植物茎秆仿生技术将一些自然界的构造原理移植到“植物茎秆仿生技术”是生物结构在微量化（纤维取向）和宏观化（横截面设计）层面进行移植的另一个范例。这一过程创造了一种全新的仿生学产品，以前在自然界或技术中从未以这种形式存在过。该生物模型包括芦竹（ArundoDonax）、木香草和冬季马尾（木贼Equisetum hyemale）。由于所具有的空心秸秆和
10、薄干墙，它们拥有令人惊叹的稳定性和轻量化构造，且具有超凡的振动阻尼特性。其由一些纤维复合材料所组成的植物轴，甚至在接触到动态风荷载时都不会出现脱层现象。纤维和组织复合材料稳定性通过在梯度过渡得以保证。植物之所以能具有这些优良材料属性，其原因在于这种复合性的设计，以及纤维分布和纤维取向根据茎秆中的受力所进行的优化。对技术纤维复合材料而言，从植物中探索复合材料结构和功能的相关知识具有非常大吸引力。芦竹的特性表现在其所拥有的一个复杂的纤维复合结构，这种结构拥有一种极高的刚度和强度。形成这种特性的原因在于其纤维排列的优化，基部组织逐渐向木质转变，细胞/细胞壁比率逐渐改变，以及硬质纤维和相对低硬质的基体
11、组织之间的刚度逐渐转变。除了具有良好的机械振动阻尼外，芦竹还具有“高断裂强度”的特点，可以在发生故障前采取一定的措施。这种行为也适用于纤维合成技术，因为纤维复合材料通常以脆性断裂强度联系在一起，这就显著降低了这种轻质材料的应用空间。冬季马尾（见图 A.3）是轻量化结构设计中一个极为有效的植物范例。图中很容易看到其横截面的夹层构造：一层由非木质化的组织构成的薄外套层和一层由细胞壁部分木质化的组织构成的双层内环，两夹层之间由于楔形的强化结构而被大的中空空间隔开。这些稳定元件让人想起工字梁。这种夹层设计是一种轻质结构，使用尽可能少的材料的同时，具有较高的抗弯强度和屈曲稳定性23-29。GB/T XX
12、XXX XXXX/ISO 18457:201627图 A.3冬季马尾茎秆的横截面图 A.4植物茎秆的仿生技术产物A.7骨科整形螺钉除了材料属性和荷载外，宏观结构设计也是影响生物结构和技术组件寿命和失效的重要的因素30。生物结构可以根据“恒定应力公理”，在机械载荷作用下，通过载荷自适应增长来调整其设计31。根据这个公理，应力在部件表面的均匀分布是通过在高负载区域的增长和在低负载区域的选择性收缩来实现的。这种结构使部件作为一个整体能够承受更高的负载，从而提高了其使用寿命。这已在计算机辅助优化（CAO）中获得了技术性的实施。了实现这一目标，利用专门的应力分析软件，模仿自然界模型（树）的这种荷载自适应
13、性增长，进行组件的应力分析，以便在设计阶段将机械应力进行均匀化和降低。图A.5a展示了一个接受治疗的脊柱。其受损部分通过上面放置一块板来支撑，从而使负荷得到了缓解。为将植入物紧固就位，需要将骨科螺钉（椎弓根螺钉）插入椎弓，载荷通过骨螺钉转移到植入物中，反之亦然。图 A.5b展示了椎弓根螺钉破坏的一段。即使使用更大型号的螺钉（取决于解剖条件）或一种更好的材料（取决于生物相容性的条件）也无法避免这种失效的发生。最终发现，破裂的原因之一在于螺钉的螺纹牙底的设计。从机械角度来讲，螺钉的螺纹是一个螺旋状的绕环槽口，这种非优化性设计舍弃了螺纹牙底弧线结构，导致了缺口应力的增长。通过使用计算机辅助优化(CA
14、O)对其形状进行优化，仅经历了几个增长阶段就消除了缺口应力。优化后的椎弓根螺钉螺纹形状几乎不会产生任何槽口应力（见图A.5c）。弯曲疲劳试验的验证表明，优化后的螺杆寿命是未优化螺杆的20倍，且未形成可见的裂纹（参见图A.5 d）。所以，根据生物生长原理进行优化，可以将假体断裂的危险降至最低。GB/T XXXXX XXXX/ISO 18457:201628注：a低应力b高应力1优 化 螺 钉：经 历 5 百 万 次 循 环 载 荷 后 仍 未 失 效2传 统 螺 钉：经 历 22 万 次 循 环 载 荷 后 发 生 失 效图 A.5骨科整形螺钉。a)插入植入物的人体脊柱X光图像；b）破裂的椎弓根
15、螺钉片段；c)传统螺钉与经计算机辅助优化的螺钉的有限元法模拟下的应力分析对比；d)传统椎弓根螺钉和计算机辅助优化的椎弓根螺钉的对比，载荷周期由弯曲疲劳试验所确定A.8材料与组件的仿生制造技术在许多情况下，仿生材料或组件是用传统制造工艺制造的。这些工艺包括铸造、挤压、层压、各种机械加工和连接技术以及烧结工艺。在这些自上而下的技术中，部件的最终形式主要由同一种均质材料制造，或者把一种可流动的初步成型物倒进一个可硬化的模子中去。如果为了满足特殊应用需求，将材料和组件经过局部优化，将其制造成具有内部结构和成分的材料或组件，那么就有必要将自下而上原理应用到制造工艺中去。这些制造工艺可以部分或完全模拟生物
16、生长的特性，如细胞分裂、生长、分化和特化，以及功能性单元（器官）和含有遗传控制的完整生物体的形成。这种情况下将要面临的一个特殊挑战是如何从分子水平这种最理想状态开始，实施对几个层级进行集成，并整合到一个复杂的整体系统中去的一系列跨尺度制造。自下而上的方法在很大程度上已经成为必需的方法，包括生成制造工艺(以前称为快速原型或快速制造)。与模塑、铸造或减材制造工艺(切割)相比，随着工件数量的减少、生产个性化程度的提高以及部件几何结构的复杂性的增加，新型的制造工艺的效率却受到较小的影响。对于逐层制造技术，可以通过像在自然界那样从小处开始并增大尺寸来构造物体，这显著提高了开发具有局部变化的组成和性能的新型材料和部件的潜力。对传统方法进行改进，也可使该制造工艺在仿生组件制造方面具有特别巨大的潜力。纤维复合材料，可以发现存在于多种生物模型中，特别是植物中，这种材料由于其高刚度、高强度、低质量的特性，被用于各种技术中，尤其是在运输行业。拉挤工艺特别适用于一次性生产无限长的纤维复合材料。该技术也可用于加工硬塑性和热塑性基体。如果生产材料的编织机是集成化的，那么这种工艺可被称之为编织拉挤技术（见图 A.6
