仿生智能材料.ppt
智能与仿生ppt课件
图4 智能主动杆结构图
18
其工作原理为：传感器提供结构的形变信息，压电陶 瓷叠层作动器根据控制器通过该信息确定的电压进行驱动， 预应力弹簧保证压电陶瓷不受拉力。当电压作用在叠层上 时，引起作动器的几何变化，从而使主动元件长度发生改 变;同时诱发结构应变，产生控制力，其大小由反馈控制 器提供的作用于叠层上的电压决定。作动器根据控制器的 指令产生作动力，调整结构状态，按需要改变结构的性能; 控制器进行信号处理，发出控制指令，操纵作动器工作， 使结构自动调整到所期望的状态。压电陶瓷叠层结构精度 为微米级，可进行微小位移调节。
14
埋入式曲率光纤传感器的研究
一种埋入式曲率光纤传感器的构成如图3。
图3 曲率光纤传感器测量系统
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其工作原理为：当敏感区表面是绝对平整的表面时， 传输损耗并不大，光纤弯曲时光强几乎不变。其原因是敏 感区表面仍满足全反射条件。而用于传感器的光纤敏感区 表面要求是粗糙不平的，光在传输时遇到敏感区表面将发 生散射损耗，其本质是敏感区的表面几何畸变，使一部分 导模耦合成辐射模而产生损耗，并且各种模式的衰减不同。 该结构主要应用于直接或间接的测量出结构的弯曲变形。
智能与仿生
一 智能机械 二 仿生机械
2
1 智能和智能机械的定义 2 智能结构的组成 3 智能机械（结构）举例
3
智能是指在各种环境条件和目的要求下正确制定决策 和实现目的的能力。这里,给定的环境和目的是问题的约束 条件,制定正确的决策是智能的中心环节,而有效地实现目 的,则是智能的评判准则。从信息处理的角度讲,智能可以 看成是获取、传递、处理、再生和利用信息的能力。思维 能力是整个智能活动中最复杂、最核心的部分,主要指处理 和再生信息的能力。这种信息处理的过程是十分复杂和多 样化的,归纳起来,大体可分为3种基本的类型,即:经验思维、 逻辑思维和创造性思维。
仿生智能材料
a
5
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。
a
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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”。
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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。
a
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(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）。
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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。
a
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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。
a
8
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。
a
9
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
仿生智能材料2011-1
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。
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
自适应机翼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，机翼中的智 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
飞行。
（2）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 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 之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损 伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。
(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、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动 材料和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。
仿生智能材料
第3 章 智能材料
铁电形状记忆陶瓷
锆钛酸铅（（Pb，La）（Zr，Ti）O3 ，PZT） 陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧（PLZT） 陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其 具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的 自调谐机制。
形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；而形状记 忆合金应变大，但响应速度慢。二者复合可制成 形状记忆复合材料。
•该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分 子阀"和药物缓释剂等。
第3 章 智能材料
•化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发 材料变形的形状回复。常见的化学感应方式有pH 值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应 和氧化还原反应等。
•该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机" 等特殊领域。
第3 章 智能材料
常见的形状记忆合金
形状记忆合金
镍-钛系 铜系 铁系
目前用量最大 优点：抗拉强度高、疲劳 强度高、耐蚀性好、密度 小、与人体有生物相容性 缺点：成本高、加工困难
缺点：功能不如镍-钛系 优点：成本低、加工容易
缺点：功能不如铜系 优点：具有价格竞争优势
第3 章 智能材料
形状记忆合金的记忆特性：
形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆 陶瓷、铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶 瓷、铁磁性形状记忆陶瓷等。
第3 章 智能材料
马氏体形状记忆陶瓷 • 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、
四方晶系、立方晶系。 • 温度改变可以使四方相和单斜相之间发生可
逆马氏体转变，四方向单斜转变有5％的体 积变化。而且应力也可诱发四方向单斜的转 变。
第3 章 智能材料
仿生材料ppt
长骨的分级结构示意图
皮质骨具有一种由厚薄两层交替而成的层状结构。薄层 中胶原纤维与矿物晶体c轴垂直于骨的长轴方向，厚度约 为0.3m，厚层中胶原纤维相互平行，并且与骨的长轴呈 一角度。这种结构与哈佛氏系统内的厚、薄骨板相对应。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
因此，在材料的设计和研究中，引入了 仿生结构设计的思想 ，通过“简单组成、 复杂结构”的精细组合，来实现材料的高 韧性、抗破坏及使用可靠性特性。
7.3 天然生物材料的结构特征与仿生
一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿 生
▪ 贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的 壳基质构成，这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。
文石
对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结 构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级 细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行， 具有(5~10)m× (5~10) m ×(0.3~1.5) m的典型尺寸， 整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成 所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30 nm的 有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。
▪ 贝壳的结构一般可分为3层： ✓ 最外一层为角质层，很薄，透明，
有光泽，由壳基质构成，不受酸碱 的侵蚀，可保护贝壳。 ✓ 中间一层为壳层，又称棱柱层，占 贝壳的大部分，由极细的棱柱状的 方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 ✓ 最内一层为壳底,即珍珠质层，富 光泽，由小平板（CaCO3, 斜方晶
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
▪ 珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
▪ 这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
仿生智能材料
仿生智能材料第一章绪论1、基本概念仿生学概念: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。
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。
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。
智能材料: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，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。
2、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性:(1)具有感知功能，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;2)具有信息传输功能，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智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。
3、智能材料的构成智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和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。
基体材料首选高分子材，因为质量轻料，耐腐蚀;其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。
敏感材料担负传感的任务，其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。
在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。
《仿生智能材料》课件
仿生智能材料在生物成像领域的应用，如荧光探针、磁共振成像等 ，有助于对生物体内的微观结构和功能进行无损检测。
航空航天领域的应用
结构材料
仿生智能材料具有优异的力学性能和耐久性，可用于制造飞机、 卫星等航空航天器的结构部件。
智能蒙皮
仿生智能材料可用于制造智能蒙皮，能够感知外部环境变化并作 出响应，提高航空航天器的适应性和安全性。
作简单，适用于大规模生产。
生物法
03
利用微生物或植物提取物等生物资源制备仿生智能材料，具有
环保和可持续性的优点。
材料加工技术
塑性加工
通过热压、挤压、注塑等工艺将仿生智能材料加 工成所需形状和尺寸的制品。
3D打印技术
利用3D打印设备将仿生智能材料逐层堆积成型， 实现个性化定制和复杂结构制造。
表面处理技术
对仿生智能材料的表面进行涂层、镀膜等处理， 以提高其性能和使用寿命。
表面改性与修饰技术
表面接枝改性
通过化学反应在材料表面接上具 有特定功能的基团或分子链，改 善材料表面的润湿性、粘附性等 性能。
表面涂层技术
在材料表面涂覆一层或多层其他 材料，以改变其外观、化学稳定 性、耐磨性等特性。
表面微纳结构构建
生物系统仿生材料
模仿生物的整体系统结构 和功能，如生物自适应、 生物自修复等，具有高度 的感知能力和自适应性。
02
仿生智能材料的仿生学原理
生物的感知与响应
生物通过各种感知器官接收外部信息，如光、热、触觉等， 并作出相应的响应。
生物的感知与响应机制对于仿生智能材料的开发具有重要指 导意义，例如模仿生物的视觉、听觉等感知系统，开发具有 信息感知和反馈功能的智能材料。
合作研究
仿生智能材料
第一章绪论1、基本概念仿生学概念：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。
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。
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。
智能材料：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，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。
2、智能材料的特征具体地说，智能材料具备下列智能特性：(1)具有感知功能，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；2)具有信息传输功能，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智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。
3、智能材料的构成智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和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。
敏感材料担负传感的任务，其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。
在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。
仿生智能材料
仿生智能材料
仿生智能材料是一种结合生物学和材料科学的新型材料，它模仿生物体的结构和功能，具有自愈合、自适应、自修复等特点，被广泛应用于医学、机器人、智能材料等领域。
本文将介绍仿生智能材料的原理、应用和未来发展趋势。
1. 原理。
仿生智能材料的原理是通过模仿生物体的结构和功能，设计和制造具有类似特性的材料。
它可以模仿生物体的结构，如多孔结构、纳米结构等，也可以模仿生物体的功能，如自愈合、自适应、自修复等。
这些特性使得仿生智能材料具有很高的韧性和适应性，可以在不同环境下发挥作用。
2. 应用。
仿生智能材料在医学领域有着广泛的应用。
例如，可以用于制造人工皮肤、人工器官等医疗器械，具有很好的生物相容性和自愈合能力，可以大大提高医疗设备的效果和安全性。
此外，仿生智能材料还可以用于制造智能机器人，使其具有更高的灵活性和适应性，可以应用于复杂环境下的工作和探索。
3. 未来发展趋势。
随着科学技术的不断发展，仿生智能材料将会有更广泛的应用。
未来，它有望应用于更多领域，如智能材料、环境保护、能源开发等。
同时，随着对仿生智能材料原理的深入研究，人们将能够设计和制造更加复杂和多功能的仿生智能材料，为人类社会的发展和进步提供更多的可能性。
总结。
仿生智能材料作为一种结合生物学和材料科学的新型材料，具有很高的应用前景和发展潜力。
它不仅可以在医学领域发挥作用，还可以应用于智能材料、环境保
护、能源开发等领域。
随着科学技术的不断进步，相信仿生智能材料将会为人类社会的发展和进步带来更多的惊喜和可能性。
2024年度仿生智能材料ppt教案
分子自组装
利用分子间的相互作用力，如氢 键、范德华力等，使智能材料分 子在特定条件下自组装成具有仿
生结构的聚集体。
纳米自组装
通过纳米级别的自组装技术，构 建具有特定功能的仿生智能材料
。
多层次自组装
结合不同尺度的自组装技术，实 现多层次、多功能的仿生智能材
料制备。
2024/3/23
13
3D打印技术应用
2024/3/23
11
模板法合成技术
模板选择与设计
根据目标仿生结构，选择合适的 模板材料，如生物模板、人工合
成模板等。
2024/3/23
材料填充与固化
将智能材料前驱体填充到模板中， 通过固化反应形成具有仿生结构的 智能材料。
模板去除
采用适当的方法去除模板，得到具 有仿生结构的智能材料。
12
自组装技术
2024/3/23
8
生物感知与响应机制
01
02
03
感知机制
研究生物的感知机制，如 视觉、听觉、嗅觉等，应 用于传感器和检测技术的 设计。
2024/3/23
响应机制
借鉴生物的应激响应机制 ，如自适应、自修复等， 提高材料的智能性和适应 性。
信息传递与处理
模拟生物体内的信息传递 和处理方式，如神经网络 和遗传算法，应用于人工 智能和计算机领域。
通过压电常数测量仪测量仿生智能材料的压电常数，研究其压电 效应及在传感器等领域的应用潜力。
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05 仿生智能材料在各领域 应用前景
2024/3/23
19
传感器领域应用
仿生智能材料可用于制造高灵敏度、高选择性的传感器，如气体传感器、生物传感 器等。
利用仿生智能材料的自适应性，可设计出能够自适应环境变化的传感器，提高传感 器的稳定性和可靠性。
仿生智能材料 ppt课件
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
ppt课件
7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
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
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
8
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
ppt课件
24
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过 程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取 代的过程。
气液
液
固
固
(1)沾湿
ppt课件
固 气液
固液
(2)浸渍润湿
25
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
液
液
气
固
固
(3)铺展or完全润湿
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。
ppt课件
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—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。
ppt课件
Cassie model
cosc f1 cos1 f2 cos2
30
cosc f1 cos1 f2
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
仿生智能材料--ppt课件
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（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；
ppt课件
10
ppt课件
11
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。
ppt课件
12
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
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。
ppt课件
7
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。
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
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
ppt课件
仿生智能材料
仿生智能材料仿生智能材料是一种具有生物组织结构和功能的智能材料，它可以模仿生物体的结构和功能，具有自适应、自修复、自愈合等特性。
这些材料可以被广泛应用于医疗、机器人、智能传感器、柔性电子设备等领域，具有广阔的应用前景。
首先，仿生智能材料在医疗领域有着重要的应用。
例如，仿生智能材料可以被用于制造仿生人工关节，具有良好的生物相容性和自修复能力，可以更好地适应人体运动，减少人工关节的磨损和损坏。
此外，仿生智能材料还可以被用于制造仿生人工皮肤，具有自愈合和自适应性能，可以更好地模拟人体皮肤的感知和保护功能，为烧伤患者提供更好的治疗方案。
其次，仿生智能材料在机器人领域也有着重要的应用。
例如，仿生智能材料可以被用于制造仿生机器人的关节和肌肉组织，具有良好的柔韧性和自适应性能，可以更好地模仿人体运动和动作，提高机器人的灵活性和适应性。
此外，仿生智能材料还可以被用于制造仿生机器人的感知器官，具有良好的传感和反馈能力，可以更好地模拟人体的感知和认知功能，提高机器人的智能水平。
再次，仿生智能材料在智能传感器领域也有着重要的应用。
例如，仿生智能材料可以被用于制造仿生传感器，具有良好的灵敏度和稳定性，可以更好地感知和识别外界环境的变化，提高传感器的检测精度和可靠性。
此外，仿生智能材料还可以被用于制造仿生传感器的信号处理器，具有良好的信号处理和分析能力，可以更好地处理和解读传感器采集到的信息，提高传感器的智能化水平。
最后，仿生智能材料在柔性电子设备领域也有着重要的应用。
例如，仿生智能材料可以被用于制造柔性电子皮肤，具有良好的柔韧性和弹性，可以更好地适应人体的曲面和变形，提高电子设备的舒适性和稳定性。
此外，仿生智能材料还可以被用于制造柔性电子传感器，具有良好的传感和反馈能力，可以更好地感知和识别人体的生理信号，提高电子设备的智能化水平。
综上所述，仿生智能材料具有广泛的应用前景，可以在医疗、机器人、智能传感器、柔性电子设备等领域发挥重要作用，为人类社会的发展和进步做出重要贡献。
仿生智能材料经典课件
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。
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。
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；
（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。
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
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”。
(2024年)智能材料PPT课件
自组装技术利用分子间的相互作用力，使分子自发地组装成具有特 定结构和功能的智能材料。
仿生制备技术
仿生制备技术借鉴自然界中的生物结构和功能，通过模仿生物的结构 和功能来制备智能材料。
2024/3/26
16
04
CATALOGUE
智能材料在传感器中的应用
2024/3/26
17
应变传感器
应变材料的特性
3
定义与发展历程
2024/3/26
定义
智能材料是一种能够感知、响应 并适应环境变化的功能材料，具 有自感知、自驱动、自适应等特 性。
发展历程
智能材料起源于20世纪80年代， 经历了从单一功能到多功能、从 简单响应到复杂自适应的发展历 程。
4
分类及应用领域
分类
根据功能特性，智能材料可分为传感 型、驱动型、自适应型等类型。
应用领域
微纳机器人、生物医学、光电子学等。
26
06
CATALOGUE
智能材料在能源领域的应用
2024/3/26
27
太阳能电池板材料
2024/3/26
晶体硅材料
具有高转换效率和稳定性，是当前主流太阳能电池板材料 。
薄膜太阳能材料
轻便、柔性好，可应用于可穿戴设备和移动能源领域。
多结太阳能电池材料
利用不同光谱吸收特性，提高太阳能利用率。
2024/3/26
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02
CATALOGUE
智能材料的特性与功能
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感知功能
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传感器功能
智能材料能够感知外部环 境的变化，如温度、压力 、湿度等，并将这些变化 转化为可测量的电信号。
智能材料PPT
✿用途：生活用品、建筑业 、航天、医疗、军事等等
Hale Waihona Puke 生活用品方面•1•
•
• • •
锂 微 远 热生 及发
电 电 红 体物 胸热
池 脑 外 热 部源 智
供芯线 热片功
控能 制
能 纤 维 为
两分 侧布
于 背
能 背 心
器
发部
2 智能卫生间
• 调节控制水温、水速和水流的状态 • 马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化
它能硬能软，还能随意变形 。近日，这种材料还引起 了英国政府的兴趣并打算 运用于英国国防事业。
环境污染检测
IPCCA 在非干扰电解质 中衍射波长随Pb2 + 浓 度的增加而单调增大。 浓度为20μmol/ L的 Pb (CH3COO) 2产生的 IPCCA衍射位移易被肉 眼所观察。
临床医药应用
• 右图为125μm 厚的智 能聚合结晶胶体阵列葡 萄糖传感器示意图。由 图见：吸收光谱吸光度 与葡萄糖浓度息息相关 。运用这一特性可将此 高分子智能材料运用于
和并形小的能 “且成分方材 知具相子法料
分 子 智 能 材 料
觉有对材，是
”了分料使通
的特子通无过
新定质过生有
其他方面
高 分 子 薄 膜
实用 材料
超荷 滤电 膜型
智接 能枝 膜型
配聚 合电 物解 膜质
智能 液晶材料
智能 高分子 复合材料
智能材料D30
英国一位叫理查德·帕默的工 程师，发明了一种神奇的 高分子智能材料，并把它 命名为“D30”
❀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； (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。
智能材料课件(2023版ppt)
04
应用领域拓展：从传统的建筑、汽车等领域， 拓展到生物医学、航空航天等新兴领域
智能材料的应用前景
建筑领域：智能材料可用 于建造更安全、节能、环 保的建筑
航天领域： 智能材料可 用于开发新 型航天材料， 推动航天事 业发展
01 06
05
军事领域：智能材料可用 于制造高性能武器装备， 提高军事实力
医疗领域：智能材料可用 于开发新型医疗设备，提
芯片等，提高电子产品的性能和功能
2
智能材料的特 性
感知特性
智能材料能够感知外部环境 的变化，如温度、压力、湿 度等。
智能材料能够根据外部环境 的变化做出响应，如改变颜 色、形状、硬度等。
智能材料能够存储和记忆外 部环境的信息，如温度、压 力、湿度等。
智能材料能够根据存储和记 忆的信息进行自我调节，如 改变颜色、形状、硬度等。
02 优点：制备过程简单，成本 低，可大规模生产
03 缺点：制备时间较长，需要 精确控制反应条件
04 应用：可用于制备纳米材料、 生物材料、光电材料等
模板法
模板法是一种制备智 能材料的常用方法， 通过将功能材料与模
板结合，形成具有特 1
定结构的智能材料。
模板法可以制备出具 有特定功能的智能材
4
料，如形状记忆材料、
智能材料生产 技术的发展
2
智能材料生产 设备的研发
3
智能材料生产 工艺的优化
4
智能材料生产 成本的降低
5
智能材料生产 效率的提高
6
智能材料生产 质量的控制
智能材料的应用拓展
智能材料在 航空航天领 域的应用
智能材料在 生物医学领 域的应用
智能材料在 汽车工业领 域的应用
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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
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——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。
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。
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；
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。
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）。
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。
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
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
判断
行动
智能结构的动作流程图
自适应地改变结构形状、刚度、 位置、应力状态、固有频率等
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
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
（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。
。
2. 智能材料的特征