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1、仿生材料2013.12.10一、仿生学一、仿生学 仿生学仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学，简而言之，仿生学就是征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物模仿生物的科学的科学”。 仿生学是一门生命科学、物质科学、信息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。成的一门边缘科学。仿生材料仿生材料（B
2、io-inspiredBio-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过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生功能仿生。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 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。
3、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。生物体的启示：生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构（由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛的长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起1 1 植物叶表面的自清洁性植物叶表面的自清洁性 2 2 昆虫翅膀表面的自清洁性昆虫翅膀表面的自清洁性3 3 在水面行走的昆虫在水面行走的昆虫水黾水黾4 4 在墙壁上行走的动物在墙壁上行走的动物壁虎壁虎 5 5 自然界中的结构颜色自然界中的结构颜色6 6
4、 具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料 自然界的几种生物体的表面性能及其仿生自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料纳米界面材料1 植物叶表面的自清洁性植物叶表面的自清洁性 粗糙结构粗糙结构荷叶效应荷叶效应 荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构。微米微米- -纳米的分级复合纳米的分级复合结构结构在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因起表面超
5、疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。 单一微米或纳米结构示单一微米或纳米结构示意图（上）意图（上）微米微米- -纳米的分级复合结纳米的分级复合结构构示意图示意图（下）（下）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、表面各向异性水稻叶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
6、中沿平行方向为3-5，垂直方向为9-15。 类水稻叶表面碳纳米管薄膜自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料 蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成倾斜的周期性片层堆积而成。2 昆虫翅膀表面的自清洁性昆虫翅膀表面的自清洁性RORO不滚动不滚动蝴蝶蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（以身体为中心轴向外发散方向（RORO方向方向）倾）倾斜，水滴易滚动；反向斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂倾斜，水滴不能滚离；垂直直RO的两个方向，水滴
7、不易滚离。的两个方向，水滴不易滚离。3在水面行走的昆虫在水面行走的昆虫水黾水黾水黾水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，它的一条腿能在水面上支撑起15倍于身体的重量，它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离。水水黾稳定的水上运动特性是黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微源于特殊的微/ /纳米结构和纳米结构和油脂的协同效应油脂的协同效应 3 在水面行走的昆虫在水面行走的昆虫水黾水黾水黾腿部的微米刚毛与纳米沟槽结构电镜照片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。水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有空气有效地吸附在这些同
8、一取向的微米刚毛和螺旋状纳效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。 哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿。 模仿水黾模仿
9、水黾-新型超级浮力材料新型超级浮力材料模仿水黾模仿水黾“水上漂水上漂”功夫的机器人功夫的机器人 自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料 4在墙壁上行走的动物在墙壁上行走的动物壁虎壁虎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4001000根更细小的分支。微米级阵列刚毛微米级阵列刚毛 单根刚毛单根刚毛 单根刚毛末端的放单根刚毛末端的放大大 壁虎壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力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
10、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。 仿生应用仿生应用-仿生壁虎脚仿生壁虎脚 利用利用结构可控的直立型碳纳米管阵列制成碳纳米管阵列制成（4 44 4）平方）平方毫米的碳纳米毫米的碳纳米管阵列自吸附管阵列自吸附在垂直玻璃的在垂直玻璃的表面上悬挂一表面上悬挂一瓶约瓶约650650克的瓶克的瓶装可乐饮料；装可乐饮料；自吸附在垂直自吸附在垂直的砂纸表面上的砂纸表面上悬挂一个金属悬挂一个金属钢圈。钢圈。5自然界中的
11、结构颜色自然界中的结构颜色自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或矿物经过进化却选择了结构颜色。结构颜色：结构颜色： 依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。静态色：静态色： 指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色动态色：动态色：指那些可随周围环境及条件变化的颜色变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色具有结构色及动态色的生物大都由光子晶体组成。光子晶体：光子晶体：指能够影响光子运动的规则光学结构，这种指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。（影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。（是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。）光子晶体以各
12、种形式存在于自然界中，科学界对它的研究光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。已经长达一百年。 蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关， 而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。（1 1）天然蛋白石）天然蛋白石 蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。 （2 2）色彩斑斓的蝴蝶翅膀色彩斑斓的蝴蝶翅膀20um10um仿蝴蝶结构仿蝴蝶结构二、智能材料二、智能材料1 1、什么是智能材料、什么是智能材料？
13、 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驱动材料20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。智能材料：智能材料： 具有感知环境（包括内环境和外环境）具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。征的材料。如果能把感知、驱动（执行）和信息等三种
14、功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。2、智能材料的特征、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性：智能特性：(1)具有感知感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等；智能金属材料智能无机非金属材料智能高分子材料智能高分子材料(2)具有信息传输信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应；(3)具有对环境变化作出响应及执行响应及执行的功能；(4)反应灵敏、恰当；(5)外部刺激条件消除后能迅速回复回复到原始状态。智能材料必须具备智能材料必须具备感知、驱动和控制感知、驱动和控制三个基本要素。三个基本要素。 从仿生学的观点出发，
15、智能材料应具有或部分具有下列生物功能：(1)有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将解结果提供给控制系统；(2)有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释；(3)有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动；(4)有响应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出响应；(5)有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损；(6)有自诊断功能，能对现在和过去的情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正；(7)有自动动态平衡及自适应
16、功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境作出响应。3 3、智能材料的构成、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料基体材料、敏感材料敏感材料、驱动驱动材料材料和信息处理器信息处理器四部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。 在一定条件下， 驱动材料驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制响应和控制的任务。常用的驱动材料常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等。 敏感材料敏感材料担负传感的任务，其
17、主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）。常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。（1 1）用于航空、航天飞行器）用于航空、航天飞行器采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。4、智能材料的应用、智能材料的应用自适应机翼自适应机翼具有翼型自适应能力，如当飞机在飞具有翼型自适应能力，如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中
18、的智行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。飞行。（2 2）用于建筑、工程结构）用于建筑、工程结构例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损之集传感驱动于一体，便构成自动探
19、测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。例：例：“自愈合”纤维能感知混泥土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状空中纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。（3 3）用于日常生活）用于日常生活例：例：通用汽车已经在进行将智能材料应用在其未来汽车产品中的研发工作。这些非常“聪明”的材料能够随着温度、压力、磁场和电压等条件的不同变化，而相应改变自身的密度、硬度，甚至外形。例：例：日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰胰岛腺小球，注入糖尿病患者的血液中，血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。
