仿生材料 BiomimeticMaterials 东华大学材料学院邵惠丽松江校区第五学院楼C566Tel 67792953E mail HLShao 材料开发的新思路 天然可再生资源的利用 源源不绝 环境友好 低碳发展的概念多从自然界动植物中寻求灵感从事绿色材料 仿生材料的研究 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 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 BiomimeticMaterials 主要参考资料 Nature 近期杂志 Science 近期杂志 Biomacromolecules 近期杂志 AdvancedMaterials 近期杂志 InternationalJournalofBiologicalMacromolecules 近期杂志 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 蜘蛛丝的强韧性 蜻蜓出色的飞行本领 苍蝇的多种特殊功能 孔雀 蝴蝶美丽的翅膀 夜间活动型蛾 NightMoth 的眼蜂巢奇妙的构造 蟑螂灵敏的感知能力 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量 荷花叶面有绝佳的抗污性 self cleaningproperties 和拨水性 waterrepellent 生物的骨骼构造比钢铁强硬 自然界生物的各种奇妙功能 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 分工合作 发挥集体智慧的行为能拖动比自身体重大几十倍的食物喝雨水再排尿的防穴内进水绝招 蜘蛛丝的强韧性 蜻蜓出色的飞行本领 苍蝇的多种特殊功能 孔雀 蝴蝶美丽的翅膀 夜间活动型蛾 NightMoth 的眼蜂巢奇妙的构造 蟑螂灵敏的感知能力 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量 荷花叶面有绝佳的抗污性 self cleaningproperties 和拨水性 waterrepellent 生物的骨骼构造比钢铁强硬 自然界生物的各种奇妙功能 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 工程学等学科领域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地域观念有各自的活动范围群体意识团结协作的群体活动等级制度 麝牛意识到危险来临 立刻围成圆阵 军事仿生学 狼群战术 集群攻击 蛙跳 蛤蟆 战术 向若干个重要目标做跳跃进攻 蚕食战术 像饿蚕进食那样小口快吃 步步为营 敲山震虎战术 以打促降攻心制敌 麻雀战术 四面八方以游击战消耗 迷惑 杀伤敌人 蚁海战术 聚集力量 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 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 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 鲁班观察丝矛草叶子仿其边缘的细齿结构发明锯子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 橹和舵鲁班观察鸟的飞翔用竹木作鸟 成而飞之 三日不下 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 古代仿生学的萌芽 20世纪40年代前潜水艇的沉浮系统的开发鱼充气的鱼鳔 装载石块 交替充排水浮箱 压载水舱 分泌或吸收氧气 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 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 近代仿生学的被动进展 现代仿生学的诞生 20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20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 现代仿生学的诞生 第三节仿生材料 仿生材料定义 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 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 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 eg 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 eg 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 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 舞毒蛾有趣行为的分析 雌蛾伸出腹部的腺体 释放求爱的化学气味 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 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 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 贝壳结构修造大跨度薄壳建筑股骨结构建造立柱海豚皮肤的沟槽结构包敷人工海豚皮于船外壳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 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萤火虫 高发光效率人工合成冷光源植物的光合作用 蓝藻等 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 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 從感知風速到逃跑只需0 044秒 人類需要0 3秒尾肢可對2公分 秒的風做出反應可做微流速感知器 信息处理与控制仿生 研究特点 对生物神经系统和感觉器官的仿生居多 80 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 目的 国内外研究现状 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 处于起步的实验室阶段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 1 搞清生物系统的机制复杂性研究的长周期性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 End