仿生智能材料

驱动元件
智能材料
智能变色材料 由于光、电、热等外界条件的作用;使料内部结 构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性;使 材料呈现出不同的颜色&
光色玻璃 电致变色薄膜
智能材料 光色玻璃变色玻璃 能够随照射光强的变化而改变颜色&
原因： 含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心： 在光波的照射下;色心的光吸收特性发生改变;从而使 光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性&
在机翼结构中使用磁致伸缩致动器;可使机翼阻 力降低85%&
智能材料与住宅智能化
1多功能砖
具有变通性和智能性& 主要由四个分层构成： 第一层是功能层;能感受来自周围的声能、热能、光能;并 能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层;能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道;可以用来输送水和其它材料；
3座椅
用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加;而且也将增 加舒适程度&
使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性;也可以形成 各种型式的椅座面& 毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构;还能改变座椅 本身的结构&
由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别;座 椅还可以随心所欲地升温和降温;甚至对人们喜爱的舒适 温度具有记忆功能&
同相型光色玻璃 异相型光色玻璃
同相型光色玻璃——亚稳态色心与玻璃基质具有相同 的相&
如：光学玻璃的组分中加入氧化铈选择吸收
色心：能变价的铈离子
5d
5d
紫蓝光波
4f 铈离子内电子跃迁
光减弱
4f 铈离子恢复电子状态
玻璃逐渐由高透明 态转向深黄褐色
玻璃逐渐恢复高 透明态
异相型光色玻璃——亚稳态色心是与玻璃基质不同的
2结构监测和寿命预测
采用光纤传感器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&
3环境自适应结构 智能结构制成的自适应机翼;能够实时感知外 界环境的变化;并可以驱动机翼弯曲、扭转;从 而改变翼型和攻角;以获得最佳气动特性;降低 机翼阻力系数;延长机翼的疲劳寿命&
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 成的一门边缘科学&
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能&
生物材料通常有两个定义;一是有生命过程 形成的材料;如结构蛋白蚕丝等和生物矿物 骨、牙、贝壳等;另一个是指生物医用材料 Biomedical materials;其定义随医用材料 的发展不断发展;指用于取代、修复活组织 的天然或人造材料&
天然生物材料是经过亿万年的自然选择与 进化;在细胞调制下形成的;其基本组成单 元很平常;但材料的微观结构很复杂;具有
空间上的分级结构;通常是两相或多相的复 合材料;表现出人工合成材料无法比拟的性
能&
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
2具有驱动功能;能够响应外界变化； 3能够按照设定的方式选择和控制响应； 4反应比较灵敏、及时和恰当； 5当外部刺激消除后;能够迅速恢复到原始
状态&
智能材料
智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本 要素&
智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构 成一个智能材料系统&
2. 智能材料的特征
智能材料——在材料系统或结构中;可将传感、控制 和驱动三种职能集于一身;通过自身对 信息的感知、采集、转换、传输和处 理;发出指令并执行和完成相应的动 作;从而赋予材料系统结构健康自诊 断、偏差自校正、损伤自修复与环境自 适应等智能功能和生物特征;以达到增 强结构安全、降低能量消耗和提高整体 性能的目的的一种材料系统和结构&
智能材料Intelligent material;Smart material 是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及 其变化的信息;并进行判断、处理和作出反应;以改 变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调的 具有自适应性的材料系统&
智能材料需具备以下内涵：
1具有感知功能;能够检测并且可以识别外 界或者内部的刺激强度;如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等；
第四层面膜是砖材的最上层;也具有多功能性&如壁膜可 以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、 热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩 和图案；界面膜可连接内外通信线路&
2食物器皿
在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的 存在;而且可以根据用户的需要自行形成各种形状 的碟子;供准备、烹调和上菜时使用&并且这种盛 食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保 鲜的功能&
材料可以感知温度、热流的变化以及各种应 力的大小;并且有良好的空间分辨力& 这种智能材料还可以分辨表面状况;例如; 粗糙度、摩擦力等&
3在药物自动投入系统上的应用
科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖 浓度而扩张收缩的聚合物;这种聚合物可制 成人造胰细胞;将它注入糖尿病患者的血液 中;小球就可模拟胰细胞工作;使病人的血 糖浓度始终保持在平常的水平上&
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&
仿生学Bionics：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“模仿生物的科 学”&
仿生材料Bio-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、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生&
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
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&
阅读材料
有记忆的金属
60年代初的一天;美国海军军械实验室的研究人员领来了 一批镍钛合金丝;也许是制造过程中处理不当;合金丝被弄弯 了;他们只能一根一根地将合金丝校直&有人顺手把校直的合 金丝堆放在炉子的旁边&这时意外的事情发生了;一些校直的 的合金丝在炉温的烘烤下;不一会儿就恢复到原来弯曲的形状 &于是不得不重新校直合金丝&起初;他们没有在意;还是把校 直的合金丝堆放在炉旁;结果合金丝又弯曲了;这种现象重复 出现了多次;直到人们把校直的合金丝换了一地方堆放;不再 受到炉温的烘烤以后;合金丝才继续保持挺直的形状&
➢与现代医学相联系的智能材料 ➢
1人造肌肉 生物弹性材料能模拟活体生物;而且其力量 和反应速度均接近于人体的肌肉&
生物弹性材料可以应用于人体组织的修复; 具有与生物体的相容性;随着伤口的愈合; 这种聚合物就会在体内逐渐降解;最后将会 消失&
2人造皮肤 意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与 真人更接近;让它的皮肤具有感觉功能;研 制成功一种人造皮肤智能材料&
仿生智能材料
一、 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料
二、智能材料 1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的构成 4、智能材料的应用
一、 仿生学
1、仿生学概念
人类进化只有500万年的历史;而生命进化已经历了 约35亿年&人类很早就认识到生物具有许多超出人 类自身的功能和特性&对生物的结构、形态、功能 和行为等进行研究;我们就会从自然中获得解决问题 的智慧和灵感&
常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤 材料、磁致伸缩材料、电致变色 材料、电流变体、磁流变体和液 晶材料等&
3驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和 应力;所以它担负着响应和控制的任务&
常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、 电流变体和磁致伸缩材料等&
4其它功能材料
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等&
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
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
如果能把感知、驱动执行和信息等三种功能材料有机 地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化&
20世纪80年代;人们提出了智能材料的概念&
智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的 第四代功能材料&
光敏晶相物质&
如：卤化银光色玻璃
色心：卤化银晶体
玻璃组分中 加入卤化银
高温熔融冷却
对光散射很小(高透明状态)
析出亚微米尺 度的卤化银
无光照
银离子化合成卤化银
光化学反应
光照(紫外到蓝紫波段)
室温热激活 析出游离态银离子
去除光照
对光散射强(着色状态)
智能材料 光色玻璃的应用：
图18 变色太阳镜 汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻 璃;起防眩作用等&
智能材料
4 . 智能材料的应用
➢在军事领域中的应用
➢智能材料与住宅智能化
➢与现代医学相联系的智能材料 ➢ ➢阅读材料
➢在军事领域中的应用
1智能蒙皮
光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中; 或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件 和微处理控制系统制成的智能蒙皮;可用于预警、隐 身和通信&
法拉利首款自动硬顶敞篷车
玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色 技术，可对透过率进行5级调整。
智能材料
汽车防眩目后视 镜是当前玻璃制 造业前沿产品-电 致变色玻璃在汽 车上的应用&
汽车防眩目后视镜
汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到 后视镜上产生的眩目光程度;自动控制后视镜的透光度;以减 少后视镜镜面的反射光强度;使驾驶员既能舒服的通过后视 镜了解后面行驶车辆及行人的情况;又能安全驾驶汽车&
3. 智能材料的基本结构
智能材料不是一种单一的材料;而是一个由多种材料
组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材
料系统;是一种智能机构&
能够对探测到的外部环境的变化作出判断， 并给出相应的改变材料状态的指令
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
控制器
传
执
感
行
器
器
智能机构
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
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&
智能材料
电致变色薄膜 电致变色现象Electrochromism——材料在电场作 用下所引起的颜色变化;这种变化是可逆的、连续 可调的透过率、吸收率、反射率三者比例关系可 调&
机理： 一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交 换;导致颜色的改变&
应用：智能窗调节玻璃透光特性
玻璃基片
透明电极(氧化铟锡膜) 离子注入膜
智能材料的构成
智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息 处理器四部分构成&
1基体材料 基体材料担负着承载的作用;一般宜选用轻质 材料& 首选高分子材料;因为其重量轻、耐腐蚀& 其次也可选用金属材料;以轻质有色合金为主&
2敏感材料 敏感材料担负着传感的任务;其主要作用是感知 环境变化包括压力、应力、温度、电磁场、 PH值等&
快离子导体隔膜
电致变色膜(α-WO3、NiO薄膜) 蓝色、灰色
氧化还原的电化学反应
智能窗结构示意图 着色和退色的电化学反应如下： Ni1-xO(初始态) + yM+ + ye- → MyNi1-xO (着色态) MyNil-xO (着色态) → My-2N1-xO(退色态) + 2M+ + 2e-
智能材料 智能窗的应用：
智能材料
如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体 控制电路埋入复合材料中&
光导纤维
半导体控制电路
形状记忆合金
传感元件 (检测结构中的
应变和温度)
控制系统 (根据传感元件的信
息驱动元件动作)
执行元件 (使结构动作
改变性状)
智能材料
识别
分析

自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等