仿生材料序benkesheng课件.ppt

仿生材料仿生材料（（Biomimetic Materials）） 东华大学材料学院东华大学材料学院 邵惠丽邵惠丽 松江校区第五学院楼松江校区第五学院楼C566 Tel：：67792953 E-mail：：HLShao@ 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受生物启发生物启发（（Bio-inspired））或模仿生物或模仿生物（（Biomimetic））的各种特性的各种特性而开发的仿生材料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。

仿生材料仿生材料（（Biomimetic Materials）） 主要参考资料：主要参考资料：1.《Nature》近期杂志2.《Science》近期杂志3.《Biomacromolecules》近期杂志4.《Advanced Materials》近期杂志5.《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志6. 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 仿生学仿生学 n蜘蛛丝蜘蛛丝的强韧性；的强韧性；n蜻蜓蜻蜓出色的飞行本领；出色的飞行本领；n苍蝇苍蝇的多种特殊功能；的多种特殊功能；n孔雀、蝴蝶孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；美丽的翅膀；n夜间活动型夜间活动型蛾蛾（（Night MothNight Moth）的眼）的眼n蜂巢蜂巢奇妙的构造；奇妙的构造； n蟑螂蟑螂灵敏的感知能力；灵敏的感知能力；n啄木鸟啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；n墨鱼墨鱼的瞬间加速可以达到每小时的瞬间加速可以达到每小时2020哩；哩；n蜂鸟蜂鸟飞行飞行600600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；n荷花叶面荷花叶面有绝佳的抗污性有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )(self-cleaning properties )和和拨水性拨水性 (water repellent )(water repellent )；； n生物的骨骼生物的骨骼构造比钢铁强硬；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大象的奇妙行为大象属于恒温动物恒温动物大象能承受的体温变化较大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n…… n蜘蛛丝蜘蛛丝的强韧性；的强韧性；n蜻蜓蜻蜓出色的飞行本领；出色的飞行本领；n苍蝇苍蝇的多种特殊功能；的多种特殊功能；n孔雀、蝴蝶孔雀、蝴蝶美丽的翅膀；美丽的翅膀；n夜间活动型夜间活动型蛾蛾（（Night MothNight Moth）的眼）的眼n蜂巢蜂巢奇妙的构造；奇妙的构造； n蟑螂蟑螂灵敏的感知能力；灵敏的感知能力；n啄木鸟啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；n墨鱼墨鱼的瞬间加速可以达到每小时的瞬间加速可以达到每小时2020哩；哩；n蜂鸟蜂鸟飞行飞行600600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；n荷花叶面荷花叶面有绝佳的抗污性有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )(self-cleaning properties )和和拨水性拨水性 (water repellent )(water repellent )；； n生物的骨骼生物的骨骼构造比钢铁强硬；构造比钢铁强硬；n……… 生物的各种奇妙功能生物的各种奇妙功能 给人类启发给人类启发 ---仿生思维仿生思维 模仿生物本领模仿生物本领 造出仿生材料造出仿生材料 新兴学科新兴学科——仿生学（仿生材料）仿生学（仿生材料） 人类进化：人类进化：500万年万年生命进化：生命进化：约约35亿年亿年→形成了最优化的形态结构、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、最有效的物质代谢和再循环系统、最精确的控制和协调过程。

最精确的控制和协调过程  研究并模仿生物系统的研究并模仿生物系统的结构、形状、功能、原理、结构、形状、功能、原理、行为过程及相互作用等行为过程及相互作用等从而为工程技术提供新的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设计思想、工作原理和系统构成的科学 是是生物学生物学和和技术学技术学相结合的相结合的交叉交叉学科学科 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 n仿生技术仿生技术 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、机械等新型仪器、机械等仿生学仿生学社会仿生学社会仿生学（模仿生物的群体意识等）（模仿生物的群体意识等）化学仿生学化学仿生学（在分子水平或分子层次上进行仿生）（在分子水平或分子层次上进行仿生）机械仿生学机械仿生学建筑仿生学建筑仿生学电子仿生学电子仿生学计算仿生学计算仿生学（神经网络、遗传等算法）（神经网络、遗传等算法）军事仿生学军事仿生学运动仿生学（运动仿生学（仿飞禽走兽的动作健身）仿飞禽走兽的动作健身） 美容仿生学美容仿生学仿生学的分类仿生学的分类社会仿生学社会仿生学生物社会中的三个特征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（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 ） 运动仿生学运动仿生学n太极拳太极拳运动运动 ：： 白鹤亮翅（仿善飞的白鹤展翅欲飞动作白鹤亮翅（仿善飞的白鹤展翅欲飞动作 伸舒筋骨）伸舒筋骨） 抱虎归山、倒撵猴抱虎归山、倒撵猴n气功气功“五禽戏动功五禽戏动功” ：： 猛猛虎虎扑食、扑食、鹿鹿糜奔跃、糜奔跃、熊熊步蹒跚、鹏步蹒跚、鹏鸟鸟展翅、猿展翅、猿猴猴攀登攀登 n少林拳少林拳 仿虎仿虎 ：：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、黑虎抓心山、黑虎望山、黑虎钻木、黑虎抓心…….. 仿豹仿豹：豹子出洞、豹子扣爪、豹子缩身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回头：豹子出洞、豹子扣爪、豹子缩身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回头 仿马仿马 ：：野马上槽、野马奔川、野马弹蹄、野马分鬃野马上槽、野马奔川、野马弹蹄、野马分鬃 仿猴仿猴 、仿猿、仿猿 、仿鹤、仿鹤 、仿鹰、仿鹰 、仿燕、仿燕 、仿雁、仿雁 ……..n田径田径比赛比赛 起跑起跑姿势：下蹲式（仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳姿势：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）比直立式更快） 游泳游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙） 第二节第二节 人类仿生的发展历史人类仿生的发展历史n鲁班鲁班 观察丝矛草叶子观察丝矛草叶子 仿其边缘的细齿结构仿其边缘的细齿结构 发明锯子发明锯子 n观察鱼在水中的游泳观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体仿鱼类的形体 发明木船发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵发明木浆、橹和舵 n鲁班鲁班 观察鸟的飞翔观察鸟的飞翔 用竹木作鸟用竹木作鸟“成而飞之，三日不下成而飞之，三日不下”n达达·芬奇芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机制造扑翼机 （飞机的雏型）（飞机的雏型）  20 世纪40 年代前n潜水艇的沉浮系统的开发潜水艇的沉浮系统的开发 鱼充气的鱼鳔鱼充气的鱼鳔 （装载石块→交替充排水浮箱→压载水舱） （分泌或吸收氧气） n雷达、战艇侦察手段的开发雷达、战艇侦察手段的开发 蝙蝠、海豚的蝙蝠、海豚的“回声定位回声定位”系系统统 （噪声测向仪→声纳系统） n高速飞机的开发高速飞机的开发 蜻蜓翅膀上的翼眼蜻蜓翅膀上的翼眼 （（在机翼前缘的远端上安放加重装置以消除颤振） 现代仿生学的诞生现代仿生学的诞生n2020世纪世纪6060年代起年代起, ,仿生学仿生学““Bionics” Bionics” 的构成的构成 全美第一届仿生学讨论会的召开全美第一届仿生学讨论会的召开—标志着仿生学的标志着仿生学的诞生诞生 n2020世纪世纪9090年代起年代起, ,材料仿生的材料仿生的真正起步真正起步(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired) 仿生学领域的不断拓展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） 第三节第三节 仿生材料仿生材料 仿生材料仿生材料定义：定义： 人类受生物启发或模仿生物的各种特性、行为、人类受生物启发或模仿生物的各种特性、行为、结构等而开发的材料。

结构等而开发的材料 研究范围研究范围主要包括：主要包括： 分子仿生、结构（力学）仿生、行为过程和加分子仿生、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（神工方法仿生、能量仿生、信息处理与控制（神经）仿生等经）仿生等 1. 分子仿生分子仿生 n分子仿生分子仿生：研究与模拟生：研究与模拟生物体中物体中酶酶的催化作用、的催化作用、生生物膜物膜的选择性、通透性、的选择性、通透性、生物体成分生物体成分或其类似物的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从舞毒蛾舞毒蛾的行为-------- “仿生诱芯”的合成及应用n舞毒蛾舞毒蛾有趣行为的观察有趣行为的观察： 夜晚有许多雄蛾围着有活雌蛾（残体）的小笼不停地盘旋n舞毒蛾舞毒蛾有趣行为的分析有趣行为的分析： 雌蛾伸出腹部的腺体，释放求爱的化学气味n我国科学家展开的我国科学家展开的成分仿生成分仿生： 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我国已研制成功我国已研制成功60多种多种“仿生诱芯仿生诱芯” 2．结构仿生．结构仿生 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：研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质静力学性质、生物体各组成部分在体内相对运动和生、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物体在环境中运动的动力学性质动力学性质及其它及其它结构功能结构功能 n贝壳贝壳结构结构 修造大跨度薄壳建筑修造大跨度薄壳建筑 股骨股骨结构结构 建造立柱建造立柱n海豚皮肤海豚皮肤的沟槽结构的沟槽结构 包敷人工海豚皮于船外壳包敷人工海豚皮于船外壳n啄木鸟脑壳啄木鸟脑壳的海绵状组织骨骼的海绵状组织骨骼 制备类似材料用于包装运输领域制备类似材料用于包装运输领域 消除应力集中、消除应力集中、用最少的建材承受最大的载荷用最少的建材承受最大的载荷减少湍流减少湍流提高航速提高航速减震减震3．行为过程和加工方法仿生．行为过程和加工方法仿生 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：研究并模仿生物体某些特殊的的行为过程及其功能行为过程及其功能或或加工方法加工方法( (体内物理和化学过程体内物理和化学过程) )的原理。

的原理n长脖的长脖的苍鹭苍鹭-----远距离捕食的高手远距离捕食的高手 用矛捕鱼或娴熟的标枪能手用矛捕鱼或娴熟的标枪能手n长尾巴的长尾巴的禾鼠禾鼠-----随处攀爬的高手随处攀爬的高手 平衡杠或安全绳的应用平衡杠或安全绳的应用n蜘蛛蜘蛛的成丝过程的成丝过程-----各种因素协同作用下的液晶态干法纺丝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 能量仿生能量仿生：研究与模仿生物器官生物：研究与模仿生物器官生物发光发电发光发电、肌肉直、肌肉直接把接把化学能转换成机械能等化学能转换成机械能等生物体中的生物体中的能量转换能量转换过程 n电鱼电鱼（电鳐、电鳗等）（电鳐、电鳗等）-----发电器官能产生几百伏电压发电器官能产生几百伏电压 设计伏打电池设计伏打电池n萤火虫萤火虫-----高发光效率高发光效率 人工合成冷光源人工合成冷光源n植物植物的光合作用（蓝藻等）的光合作用（蓝藻等） 仿生光解水装置制备氢能源仿生光解水装置制备氢能源5 5．信息处理与控制仿生．信息处理与控制仿生 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：研究与模拟生物体中的感觉器官感觉器官、、神经元神经元与神经网络以及高级中枢与神经网络以及高级中枢等智能系统等智能系统的的信息处理信息处理过程。

过程n蜜蜂、蚂蚁蜜蜂、蚂蚁等偏振光定向本领等偏振光定向本领 制成偏光天文罗盘用于航海和航空的定向制成偏光天文罗盘用于航海和航空的定向n鸽子鸽子视网膜系统对外界特殊的反应能力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研制电子鸽眼用于预警雷达系统n昆虫昆虫等感觉器官的高度灵敏性等感觉器官的高度灵敏性 制成各种传感器和测试仪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研究特点研究特点 n对生物神经系统和感觉器官的仿生居多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、模拟和模型方法最广泛地运用类比、模拟和模型方法 生物原型生物原型-----基础基础 数学模型数学模型-----桥梁桥梁 硬件模型硬件模型-----目的目的国内外研究现状国内外研究现状 n国外不断在加强、深入国外不断在加强、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外研究现状 n国内刚刚在起步、摸索国内刚刚在起步、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处于起步的实验室阶段 n受关注的力度还相当不够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 发展瓶颈发展瓶颈 n1）搞清生物系统的机制）搞清生物系统的机制 复杂性复杂性 研究的长周期性研究的长周期性n 2）多学科的密切协作）多学科的密切协作 对生物的了解对生物的了解 生物学家生物学家 利用生物学的研究成果进行仿生设计利用生物学的研究成果进行仿生设计 工程技术专家工程技术专家材料科技的突破才是最後對人类智慧的實踐。