仿生材料
仿生材料
又叫水瓜，寒瓜 , 夏瓜，因在汉代从西 域引入，故称“西瓜”。西瓜味道甘甜 多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能 祛暑热烦渴，因此有“天然的白虎汤” 之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外，几 乎含有人体所需的各种营养成分，是一 种富有营养,纯净，食用安全的食品。
仿生材料最新研究领域
光子晶体材料：是一类特殊 的晶体，其原理很像半导体， 有一个光子的能力。蛋白石 就是其中的典型，它的组成 仅仅是宏观透明的二氧化硅， 其立方密堆积结构的周期性 使其具有了光子能带结构丽的色彩 。（这种材料的研发
仿生材料
仿生材料
仿生材料定义：仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发 的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料 学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物 的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为 人类做出更大的贡献。 自然界中的物质和天然生物材料，如贝壳，骨骼等经过上 亿年进化的产物，具有适应环境与功能需求的最佳结构，表现 出传统人工合成材料无法比拟的优异强韧性，功能适应性以及 愈合能力。在生物医疗领域，仿照天然生物材料制备出具有生 物功能，甚至是生物活性的材料成为生物材料科学极为活跃的 前沿研究领域。
仿生高超强韧材料：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。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，由小平板状的 结构单元累积而成、成层排列， 组成成分是多角片型的文石结 晶体（CaCO3, 斜方晶系）。
仿生材料的研究进展及应用前景
仿生材料的研究进展及应用前景随着科技的不断发展，人类对于仿生学的研究也越来越深入。
仿生学是指生物学、物理学和工程学等相关学科在结构、形态、力学等方面模仿自然界中生物的形态和功能，从而研制出仿生产品和器件的学科。
仿生学在人们生产生活中的作用越来越大，而仿生材料是其中的重要组成部分，具有巨大的应用前景。
一、仿生材料的定义及特点仿生材料是一种通过仿照生物体的结构、形态、功能和制造方法，用人工材料来代替或模拟生物体某些功能的人造材料。
仿生材料是科学家研究生物仿生学的一个重要领域，与生物学、材料学、力学等多学科交叉，具有以下特点：1.符合生物体的结构、形态和力学等特性；2.比人造材料更具可塑性、可调性和适应性；3.具有多种特殊功能和性能；4.可以在多个领域应用。
二、仿生材料的研究进展随着仿生学的不断发展，仿生材料的研究也在不断深入。
目前，仿生材料的研究重点主要集中在以下方面：1.仿生材料的结构设计及制造方法研究。
通过仿照生物体的结构设计，结合现代材料制造技术，开发出具有类似结构的仿生材料。
2.仿生材料的性能研究。
通过模拟生物体的特殊功能和性能，研究仿生材料的相应性能，如生物材料的力学性能、光学性能、磁性能等。
3.仿生材料的应用研究。
通过对仿生材料的研究，探究其在医药、新材料、机器人等多个领域的应用。
三、仿生材料的应用前景仿生材料的应用前景十分广泛，未来有望在以下几个方面得到广泛应用：1.医学领域仿生材料可以用于修复、再生人体组织，分析生物体的分子作用和制备仿生医学材料等。
例如，仿生骨料可以代替天然骨骼，用于义肢制造和人造骨骼修复等。
2.材料科学领域仿生材料的结构和性能特殊，可以制造出更加高效的电池、太阳能电池等能源材料。
3.机器人领域仿生材料能够帮助机器人更好地仿照生物体的结构，并具备生物体的一些特殊功能。
例如，仿生蛇机器人可以模仿蛇的蠕动方式，更好地适应不同的地形。
总结：作为仿生学中的重要领域，仿生材料在科技领域中发挥着越来越重要的作用。
仿生材料的研发与应用
仿生材料的研发与应用随着现代科技的发展，仿生材料已成为人们关注的重点领域。
仿生材料通过模仿生物体的结构和功能，将其应用于工程技术领域，成为了一种新兴的纳米材料。
在此，本文将介绍仿生材料的定义、分类、研发和应用。
一、仿生材料的定义和分类仿生材料是一种新型的材料，它可以模拟人体器官、动物、植物的结构和功能，具有较优异的性能。
它的定义为通过仿生学的思想来制造材料，集成了生物学、物理学、力学学、化学等学科的内容，以实现新材料的自主发展和实用。
仿生材料从材料结构上来分可分为有机仿生材料和无机仿生材料。
有机仿生材料常见的是蛋白质、多肽、纤维蛋白、胶原蛋白等；无机仿生材料包括磷酸钙、氢氧磷灰石、钙钛矿等化合物，而合成纳米材料可以是与自然界中所存在的要素、化合物相同的特殊制造材料。
二、仿生材料的研发仿生材料的研发主要有三个方面：仿生生物、仿生结构和仿生功能。
仿生生物主要是通过对于生物体的模拟和分析，找到生物体的特性、功能和功能的体现方式；仿生结构则是通过对于生物体的结构和形态的拟合，以实现材料的组成和结构的调整；仿生功能主要是对于仿生结构和生物体功能的拟合制取得功能模拟。
三、仿生材料的应用仿生材料的应用领域非常广泛。
在医学领域，仿生材料可以用于修复和再生组织，开发新型的漏斗、植入物、射频可升级装置等，能改善生物组织和身体的局部结构，使其更好地适应环境或机器的操作；在建筑领域，仿生材料可以模拟表面结构、多孔结构、导热性和声学性状，改善相应的建筑性能和环境效应，从而更好地适应环境和节能减排。
在国防、交通等领域，仿生材料也有着许多应用。
总之，仿生材料具有广泛的应用前景。
在仿生材料的研究和开发上，我们需要多领域的交叉和协调，采用智能化的设计理念和方法，做好材料性能和应用的配合、优化，不断创新寻找最佳解决办法，为民族经济的发展和社会的需求做出新的贡献。
仿生材料：模仿大自然
仿生材料：模仿大自然仿生材料是一种受到大自然启发而设计制造的材料，它模仿生物体的结构、功能和性能，具有优异的特性和广泛的应用前景。
大自然是最伟大的设计师，亿万年的进化造就了各种生物体的复杂结构和功能，这些优秀的设计激发了人类对仿生材料的探索和研究。
通过模仿大自然，科学家们开发出了许多具有前瞻性和创新性的材料，为人类社会的发展带来了巨大的推动力。
一、仿生材料的定义和特点仿生材料是指受到生物体结构、功能和性能启发而设计制造的材料。
它具有以下几个特点：1. 模仿生物体：仿生材料通过模仿生物体的结构和功能，实现类似生物体的性能和效果。
2. 多样性：仿生材料可以模仿各种生物体，如植物、动物、微生物等，具有多样性和广泛性。
3. 创新性：仿生材料的设计和制造需要创新思维和技术手段，具有前瞻性和创新性。
4. 应用广泛：仿生材料在医学、工程、材料科学等领域有着广泛的应用前景。
二、仿生材料的研究领域1. 医学领域：仿生材料在医学领域有着重要的应用，如仿生人工关节、仿生心脏瓣膜等，为医疗技术的发展提供了重要支持。
2. 工程领域：仿生材料在工程领域有着广泛的应用，如仿生结构材料、仿生润滑材料等，提高了工程设备的性能和效率。
3. 材料科学领域：仿生材料在材料科学领域有着重要的研究价值，如仿生纳米材料、仿生智能材料等，为材料科学的发展带来了新的思路和方法。
三、仿生材料的成功案例1. 莲花效应：仿生材料模仿莲花叶片表面微纳结构，设计制造出具有自清洁功能的材料，应用于建筑玻璃、汽车涂层等领域。
2. 鲨鱼皮纹理：仿生材料模仿鲨鱼皮纹理设计制造出减阻纹理材料，应用于飞机表面、船体涂层等领域，降低了流体阻力。
3. 蜻蜓翅膀结构：仿生材料模仿蜻蜓翅膀结构设计制造出具有抗菌、抗污染功能的材料，应用于医疗器械、环境保护等领域。
四、仿生材料的未来发展1. 多功能性：未来的仿生材料将具有更多的功能性，如自修复、自感知、自适应等，为人类社会带来更多的便利和创新。
仿生材料及其应用在制造工业中
仿生材料及其应用在制造工业中随着科技的不断发展和人们对于生命体验的深入探索，仿生技术作为一种新兴技术得以快速普及。
其中，仿生材料作为仿生技术的重要组成部分之一，已经应用于多种领域，尤其是制造工业。
在本文中，我们将讨论仿生材料及其在制造工业中的应用。
一、什么是仿生材料仿生材料是指能够模拟和运用自然界生物材料的理化特征，而具有类似功能和性能的新型材料。
仿生材料的研究，是通过对自然界中的各种生物体的形态、结构、生理功能和物理化学特性等进行深入探究，从中汲取灵感，自主创新研发出的一系列新型材料。
其中，仿生材料的种类多种多样，包括生物材料、人造材料、复合材料等等。
生物材料是从生物体内提取或人工合成的物质，如骨骼、肌肉和皮肤等；人造材料是通过人工合成的材料，如高分子材料、金属材料、陶瓷材料等；而复合材料则是两种或两种以上材料的组合体。
二、仿生材料在制造工业中的应用1. 制造3D打印产品随着3D打印技术的迅猛发展，仿生材料的应用也越来越广泛。
3D打印机可以使用多种材料进行印刷，其中仿生材料可以模拟生物体的软硬度、弹性、黏性、强度等特性，氢骨、肌肉、纳米管等仿生材料被广泛用于3D打印产品的制造上。
随着3D打印技术的推广，仿生材料的应用也将会越来越广泛。
2. 制造假肢仿生材料的应用还体现在人体假肢制造上。
常见的假肢材料有铝合金、钛合金、碳纤维等，但是这些材料往往比人体自身的材料硬度大很多，给佩戴者带来极大的不适。
而仿生材料的应用，可以实现类似于人体自身的柔韧度，使得假肢更加逼真、真实。
3. 制造航空器仿生材料的应用也广泛存在于制造航空器上。
生物体的形态、结构以及特性，往往能够启发飞机设计的创造性思维。
如仿生材料的使用可以使得飞机内部结构更加舒适、减轻飞机自身重量、降低噪音等等，改善旅客体验，增加旅途舒适度。
4. 制造智能材料随着智能化的不断发展，智能材料的应用日益广泛。
仿生材料的概念也逐渐与智能科技进行融合，芯片、传感器等技术的应用，使得仿生材料也能实时感知环境的变化，完成相应的功能性响应。
仿生材料(精)
目录
仿生材料的环境性能
仿生材料简介 环境和生物性能
生物材料的结构与性能
仿生材料的应用
生物陶瓷及复合材料
组织工程材料 仿生智能材料
一、仿生材料的环境性能
1、仿生材料简介
一、仿生材料的环境性能
一、仿生材料的环境性能
荷叶效应
自清洁材料
一、仿生材料的环境性能
• 纤维素是分布最广、含量最多 的一种多糖，其主要是作为动 植物或细菌细胞的外壁支撑和 保护物质。 • 生物软组织是由多糖和蛋白质 复合而成的，如粘液、软体动 物骨架、皮肤等。生物软组织 的σ -ε 性质、断裂韧性、刚度 等性能及随环境的变化都是非 生物材料难以比拟的。
二、生物材料的结构与性能
、环境与生物性能
仿生材料 生物性能 生物相容 性 环境协调 性
材料反应
宿主反应
生态设计
环境友好 加工
一、仿生材料的环境性能
评价材料生物相容性的指标
宿主反应
适应性反应
全身反应 血液反应
材料反应
腐蚀 吸收 降解 磨损 膨胀 浸析
二、生物材料的结构与性能
常见天然生物材料种类
二、生物材料的结构与性能
致密羟基磷灰石、玻 熟石膏、β—双相钙磷 璃陶瓷等 陶瓷等 化学键合 临时填充作用，可通 过新陈代谢化解，最 终被替换
优点
缺点
组织和植入体机械嵌 合
三、仿生材料的应用
2、组织工程材料
• 用于代替生物体组织器官或者恢复、维持其 功能的仿生材料。
三、仿生材料的应用
3、仿生智能材料
• 能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功 能的材料。 • 这类材料的性能不仅与材料的成分、结构和形 态有关，而且与材料所处的环境有关，具有生 物特性。 • 目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释 放体系以及仿生薄膜材料等。
仿生材料
• 仿生材料是指模仿生物的各 种特点或特性而研制开发的 材料。通常把仿照生命系统 的运行模式和生物材料的结 构规律而设计制造的人工材 料称为仿生材料。
• 自然界中的动植物经过45亿年的物竞天择 的优化，其结构和功能已经到达了近乎完 美的程度。自然界是人类各种科学技术原 理及发明的源泉。 • • • • 鸟类飞行——飞机 昆虫单复眼——复眼照相机 蝙蝠回声定位4内视镜
• 手触摸含羞草的叶片,它就会像动物那样收缩。在这 一种启发下,日本奥林巴斯公司的植田康弘研制了一 种可以伸到小肠里的内视镜,他在内视镜的筒状部分 使用了一种与含羞草叶片表面结构相似的弹性膜材料, 它在肠道流体的压力下,会沿着轴向自动伸长或弯曲, 从而使内视镜的筒状部分与肠道保持同一形状。
No2.人造骨
• 卵是鸟类和爬虫类生 育在体外的动物的最 大细胞。它的壳,是石 灰质构成的,内部有卵 白和卵黄，卵壳的形 成过程与牙齿和骨头 的发育过程相同,被称 之为钙化过程,与无机 和有机的界面化学相 关，人们通过卵壳制 造人造骨。
No3.竹纤维仿生材料
从竹子的断面来看,一种 称之为纤维束的组织密 布在竹子的表皮,竹子的 内部却很稀少,这样的结 构形成了一种高强度的 复合材料（竹纤维仿生 材料）。
原物 乌龟壳 青蛙眼睛
做一做
仿生材料 电子蛙眼 潜艇
蛛丝
海豚 白蚁
降落伞绳索
干胶炮弹 薄壳建筑
No1.薄膜材料
在陆地上生活的动物有 肺,能够分离空气中的氧 气,水里的鱼有鳃,能够 分离溶解在水中的氧气, 供给身体使用。人们仿 造这种特性,制作了薄膜 材料,用于制造高浓度氧 气、分离超纯水等,以达 到节省能源以及高分离 率的目的 。
第七章 仿生材料
环境协调化的发展阶段，复合材料的仿生设 计与探索正好体现了这一特点。
总结生物体的有用规律，建立模型，为复合 材料的研究和设计提供依据是一种有效的方 法。随着材料科学和仿生学的发展，作为交 叉学科的仿生材料学经过不断积累和发展， 在材料科学家、生物学家、医学专家的密切 配合下，材料的仿生制备研究必将成为当今 材料科学研究最活跃的前沿领域之一。
二、骨骼的分级结构与多孔结构
骨骼主要有松质骨和密质骨两种。 骨骼是一种典型的、复杂的复合材料。 在骨的生长过程中，伴随骨的增长和增粗， 体内每块骨的形态结构都在进行不断的改建， 使之与自身的生长相一致。松质骨中最初形 成的骨小梁排列方向乱，支持功能差，经改 建后骨小梁的方向与各骨所承受的压力和张 力方向——致，从而增强了骨的坚固性。同 时骨骼的机械性能源于其结构，在骨的多级 结构中，羧基磷灰石(通常是含碳的磷
器官材料的规律而设计制造的人工材料。 生物仿生材料学是一门新型的交叉学科， 包括了材料科学与工程、分子生物学、生 物化学、物理学及其他学科内容。
一、仿生材料研究内容
目前，仿生材料学的研究内容主要包括以 下几个方面： (1)天然生物材料的结构、物理性质和化学 性质分析（如骨、木、珍珠、皮肤等）；
(2)模仿生物体组成、结构及性能的材料制备 与开发； (3)利用生物加工技术制备材料的力学行为分 析； (4)在模仿过程中受到启发，以所得到的新概 念，进行新型合成材料的设计； (5)仿生材料和结构在新领域中的应用，如在 机器人和航空结构等方面； (6)在生物结构的力学分析指导下，对现有结 构设计的优化； (7)生物材料及结构在进化过程中，所用设计 标准的分析； (8)模仿生物体所进行的某些系统的开发。
纤维是细长的空心管子，对于结定的强度和刚度 要求，它所需的材料比实杆少。离中心线越远， 材料受力越大，空心管子的材料受力几乎都集中 在离中心线很远的边缘上，因此，比一根同样重 的实心杆的刚度大很多。
仿生学材料
1.我从中了解到啄木鸟、食蚁兽的生活特性和特异能，从它们身上我突然想到了一个问题，同时也得到一个启发：在农村果园里，我们常常发现害虫钻进树干、成熟的果子里，为了保护果林，农民们只得不断地大量喷农药，这样的结果呢？不但成本高，而且人们在食用时，超标的农药让人们望而生畏，如果灭虫不及时，人们也只得把那些“无药可救”的果树心痛地砍掉。
在现代化的农村里，也不可能有那么多的啄木鸟来帮果树们看病。
2.大自然给人们有许多的启示，飞机是根据蜻蜓发明的、流状形的轮船是仿照海底的鲸发明的，那么我在想：我们何不仿照啄木鸟的嘴和食蚁兽的舌头来制造一种轻便的灭虫机呢？在这种灭虫机里，我们可以装一块电脑芯片，这样，它就可以准确无误探测到病树，然后，我们可以按一下手柄上的一个红键，从那里面就会弹出一个类似啄木鸟的嘴一样的又尖又带勾的钢管，它可以准确无误地在有害虫的树上打一个极小的洞，然后用带勾的钢管嘴将它勾出。
要是白蚁呢？大家不要慌，我们可以先将钢管嘴收进去，然后，再按绿色的健，一条仿食蚁兽的舌头就会从里面弹来，那富有粘性的长舌，一“钻”进洞里，那白蚁便会轻而易举地全部被消灭。
从这个问题中，我们得到了一个启发，从而也从中得到了一个创新。
3.日本的科学家从蚂蚁觅食中受到了启示。
他们开发出一种大规模集成电路，模拟觅食的蚂蚁齐心合力搬运食物，从距离最近的“食物源”顺次向“蚁巢”源源不断地输送信息。
根据这种新的信息处理方法，人们很可能开发出一种新型计算模式的计算机呢。
4.大自然给我们的启示还有很多,其中有一种蛇叫响尾蛇,它有一种红外线的眼睛,人类通过这种蛇的眼睛,研制出一种有着响尾蛇一样眼睛的导弹,它的名字叫响尾蛇导弹,因为人类是仿照响尾蛇眼睛制造出来的,所以命名为响尾蛇导弹。
响尾蛇导弹能和响尾蛇一样,能用"热眼"准确无误的跟踪敌人,直至把敌人摧毁.因为响尾蛇的"热眼"是根据敌人的温度来判断敌人的位置,飞机,战舰,坦克等这些东西,响尾蛇导弹都能准确无误的命中.法国研制的机动式低空近程全天候地空导弹。
仿生材料知识点总结
随着科学技术的飞速发展，仿生材料作为一种新型材料，逐渐备受人们的关注。
仿生材料是通过模拟生物体结构和功能设计制备的一种新型材料，具有优异的特性和潜在的广泛应用前景。
本文将从仿生学原理、仿生材料种类、仿生材料的应用及未来发展方向等方面对仿生材料进行全面的介绍和分析。
一、仿生学原理1. 生物结构与功能生物体通过数亿年的进化，形成了各种优异的结构和功能。
比如，鱼类的鳞片具有优秀的流体动力学特性，能够减小水的阻力；鲎的眼睛能够在暗光环境下捕捉光线，具有优异的光学性能；鸟类的羽毛可以保持温暖，还能够实现滑翔等功能。
这些生物结构和功能都是自然界的杰作，值得借鉴和研究。
2. 仿生学原理仿生学是研究生物结构、功能和行为，并将其运用于人工制品设计、制造的一门综合科学。
仿生学原理就是通过模仿生物体的结构和功能，设计制备出具有类似特性的人造材料。
仿生学原理的主要目的是利用生物体中已经证实有效的结构和功能，并将其应用在人工制品中，以实现更好的性能表现和更广泛的应用。
二、仿生材料种类仿生材料种类繁多，主要可以分为三大类：结构仿生材料、功能仿生材料和生物仿生材料。
1. 结构仿生材料结构仿生材料是通过模仿生物体的结构形态而设计制备的一类材料。
比如，模仿鸟类的羽毛结构设计制备出高性能飞行器表面覆盖材料；模仿树叶表面超疏水结构设计制备出具有自清洁功能的材料等。
2. 功能仿生材料功能仿生材料是通过模仿生物体的功能特性而设计制备的一类材料。
比如，模仿蝴蝶翅膀的结构设计制备出具有显色性能的材料；模仿鲎眼睛的结构设计制备出具有光学性能的材料等。
3. 生物仿生材料生物仿生材料是通过模仿生物体的生物化学成分而设计制备的一类材料。
比如，模仿贝壳的钙化机制设计制备出具有高机械性能和生物相容性的生物陶瓷材料；模仿昆虫的外骨骼构造设计制备出具有高强度和轻质的生物复合材料等。
仿生材料在生活和工业中有着广泛的应用，主要涉及领域包括但不限于：航空航天、船舶制造、材料科学、生物医药、建筑工程、环境保护等。
仿生材料
A
被动修复混凝土
B
主动修复
自修复混凝土
3.3.2 自修复混凝土概论
智能自修复混凝土,是利用形状记忆合金（SMA） 的超弹性特性,结合修复胶粘剂对裂缝面的填充、 粘结功能现混凝土损伤、裂缝适时快速地自修复。
记忆合金充当骨架，连结液充当血肉
仿生材料学
在生物结构的 力学分析指导下 ,对 Add Your Text 现有结构设计的优化 在模仿过程中受到启发, 以所得 到的结构、化学等新概念, 进行 Add Your Text 新型合成材料的设计
Add Your Text 利用生物加工技术制备材料的力学行
为分析
形状记忆合金大大地提高了梁的变形能力，提高了混凝土的变形抗力 在荷载作用下,在梁的跨中附近出现裂缝, 裂缝宽度随着载荷 的增加不断增大;卸载后,裂缝基本上闭合 纤维管破裂、修复剂胶粘剂流入到裂缝中以后,将裂缝面重新粘结在 一起,修补了裂缝,使混凝土性能得到了恢复。
工程造价提高
2.分类
仿生物材 料
生物陶瓷及 其复合材料
组织工程材 料
仿生智能材 料
2.1 生物陶瓷及其复合材料
生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料， 即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶 瓷材料。广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。
鲨鱼皮泳衣，Speedo公司出产的一种模仿鲨鱼皮肤制作的高科技泳衣。 1999年10月，国际泳联正式允许运动员穿鲨鱼皮泳衣参赛。（2010年禁止使 用）
这款泳衣自投入市场以来，一路伴 随着泳坛的革命，已作古的44项世界 纪录中，居然有40项跟它有关。
3.1 鲨鱼皮泳衣
环境材料学 第12章 仿生物材料
三明治结构 两侧外表面是较硬的拉伸膜，内层 材料是由非常轻、类似泡沫状的细 胞组成。 相当于一种加入填充剂的生物复合 纤维 典型的生物复合纤维：蝗虫键、昆 虫表皮、角、草叶等
12.2.4 生物矿物
构成生物材料的一种重要成分，指动
植物体内的无机矿物材料，如骨、牙、 软体动物壳、植物维管束等。 由无机矿物结晶与有机基质组成的具 有高级有序结构的复合材料。 作用：骨架支撑、重力传感、磁场传 感等
碳 50%- 0%-4%
其它元素 微量
1. 蛋白质的三大基础功能 构成和修复组织 调解生理功能 供给能量
蛋白质的分类： 1.纤维蛋白 2.球蛋白 3.血红蛋白 4.肌红蛋白 5.角蛋白 结构蛋白 6.胶原蛋白
结构蛋白质 1.结构支撑以及增强组织机械强度 2.广泛存在于动物的毛发、磷、羽、 甲、蹄、角、爪、喙、丝等当中
目前的生物惰性陶瓷 a)氧化铝陶瓷 b)单晶陶瓷 c)氧化锆陶瓷 d)玻璃陶瓷等
临床使用超过14年
陶瓷牙
表12-6
生物活性陶瓷材料 表面生物活性陶瓷 陶瓷在生物体内发生选择性化学反应， 形成一层覆盖表面的羟基磷灰石，使植入 体表面和周围组织形成化学键结合，阻止 了植入材料随时间发生进一步降解。 生物吸收生物陶瓷（生物降解陶瓷） 含有可通过新陈代谢途径吸收、化解的 成分，如磷、钙等。被植入生物体内后， 起着空间骨架和临时填充的作用，经逐步 降解和吸收，最终被新形成的生物组织替 换。
生物相容性
环境协调性
材料反应性
宿主反应性
生态设计
环境友好加工
评价材料生物相容性的有关指标 适应性反应 宿 全身反映 主 反 局部反应 应 血液反映 材 料 反 应
腐蚀 吸收 降解 磨损 膨胀 浸析
四年级的仿生学资料
1.1：蝙蝠与雷达：o蝙蝠在夜间飞行时，能够通过发出超声波并接收反射回来的声波来判断前方的障碍物和猎物的位置。
科学家们根据这一原理发明了雷达。
雷达通过发射电磁波并接收反射回来的电磁波，来探测目标的位置、速度等信息。
雷达在航空、航海、气象、军事等领域都有着广泛的应用。
1.2：苍蝇与气体分析仪:：o苍蝇的嗅觉特别灵敏，能够在很远的距离就闻到气味。
原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上，每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。
仿生学家根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。
这种仪器可用来检测宇宙飞船座舱内的气体成分，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体2。
3：萤火虫与人工冷光：o萤火虫发出的光属于冷光，不仅具有很高的发光效率，而且发出的光很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高2。
科学家们研究萤火虫的发光原理，创造了日光灯。
后来，又用化学方法人工合成了荧光素，制造出了生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯，也可作为安全照明用2。
1.4：电鱼与伏特电池：o自然界中有许多能放电的鱼，统称为“电鱼”，它们的放电能力各不相同。
电鱼体内有一种奇特的发电器官，这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的2。
意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池23。
:5：青蛙与电子蛙眼：o青蛙的眼睛对运动的物体非常敏感，能够迅速地发现并捕捉到飞行中的昆虫。
人们根据蛙眼的视觉原理，研制成功了电子蛙眼。
电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。
把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高，这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等，特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。
电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上26。
1.6：蜻蜓与直升机：o蜻蜓通过翅膀的振动产生升力，能够在空中自由地飞行，并且具有出色的飞行稳定性和机动性。
仿生材料
聚电解质多层膜逐层组装过程及结构
超薄多层TiO2/聚合物膜的制作过程
四、仿生合成材料的应用前景
仿生合成材料是具有特殊性能的新型材料，有着特殊的物理、化学性能和 潜在的广阔应用前景。 1、微米级仿生合成材料是极好的隔热隔声材料； 2、具有纳米级精细孔结构的分子筛，可以根据粒子大小对细颗粒进行准 确的分类，如筛选细菌与病毒； 3、与催化剂相结合，这种材料可以实现反应与分离过程的有效耦合，如 用于高渗透通量、高分离精度的纯净水生产装置； 4、仿生合成的磷灰石材料是性能优异的新骨组织构造基架，有望用于骨 移植的外科手术中； 5、仿生合成制取的纳米材料在光电子等其它领域同样存在广阔的应用前 景。为充分发挥仿生合成技术在无机材料制备中的应用潜力，仿生合成技 术的应用研究为仿生合成技术进一步工业化、产业化提供了过渡桥梁。
一、仿生材料的概念
• 仿生材料是指模仿自然界中各种生物体的特点或特性而开发的材料。 对天然生物材料的结构、性能和生长机理的分析与复制，是当今材料 科学研究的前沿课题。
二、仿生材料的分类
生物仿生材料学(1960年9月第一届仿生讨论会，J. Steele正式提出)是一门新型的交
叉学科，包括了材料科学与工程、分子生物学、生物化学、物理学及其他学科内容。
人们仿造这种特性,制作了薄膜材料,用于制造高浓度氧气、分离超 纯水等,以达到节省能源以及高分离率的目的 。目前人们正在研制具有 动物肺和鱼鳃那样功能的材料,如果研制成功的话,人类在水底世界的活 动将发生一场新的革命。
鱼鳃
特种薄膜材料100%纯天然植物精华， 比同类产品高出3倍的吸附能力！
四、无机材料的仿生合成实例
特殊浸润性界面仿生材料
兰州化物所仿生微纳米复合双层结构材料
2、最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿 天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。
仿生学领域中仿生材料的研究及应用
仿生学领域中仿生材料的研究及应用近年来，仿生学领域受到越来越多的关注，人们对生物界的探索不断推动着科技的发展。
仿生学是模拟和学习生物界的物质、结构、力学和运动等特性，研究如何将其应用到工业、医学、农业等领域中。
在仿生学领域中，仿生材料的研究和应用一直是研究的重点和热点。
本文将从仿生材料的定义、分类、研究方向和应用领域等方面进行论述。
一、仿生材料的定义和分类仿生材料是指通过仿造生物界的物质结构和运动特性，来制造出一种与生物相似或相同的、具有特定功能的新材料。
它主要分为两类：一类是模拟生物材料的化学或物理特性，如仿生橡胶、仿生石墨烯等；另一类是模拟生物组织的结构和功能，如仿生组织、仿生肌肉等。
其中，仿生材料的结构与性能质量直接决定仿生材料的应用性能和市场价值。
二、仿生材料的研究方向（一）仿生材料的制备技术仿生材料的制备技术是研究的基础和关键。
目前常用的制备方法包括自组装技术、生长法、浓缩法等。
自组装技术是将多种无机或有机材料进行叠层排列，从而制备出具有特定形貌和性能的材料。
生长法主要是通过生物体的生长反应，使材料在特定的温度、pH值等条件下形成一定的结构，如生物矿化、生物膜等。
浓缩法是通过合成液对材料进行浓缩，形成一定结构和性能的材料。
（二）仿生材料的性能评估与分析仿生材料具有复杂的结构和功能，因此对其性能进行评估和分析是必不可少的。
目前主要采用的分析技术有扫描电镜、透射电镜、X射线晶体衍射等。
通过这些技术，可以对材料的结构和性能进行深入研究和分析。
（三）仿生材料的应用仿生材料的应用范围非常广泛，主要应用于工业、医学、军事等领域。
其中，仿生材料在工业领域中的应用主要集中在机器人、传感器等方面。
在医学领域，仿生材料主要应用于人体组织、器官的修复和替代。
而在军事领域，仿生材料主要应用于军事装备的制造和防护。
三、仿生材料的应用案例（一）仿生植物仿生植物是将植物的组织、形态和运动特性等应用于机器人设计中。
研究人员通过仿造植物的根、茎、叶等结构，制造出能够在不同环境中自主移动和感知的智能机器人。
生物材料学-第9章 仿生材料
➢西瓜纤维素的结构与仿生
植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常 见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发 下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸 水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的， 能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分， 现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材 料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和 输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将 来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用 一片薄膜就可。
Biomimicry (模仿生物)
2
研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及 相互作用，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技术科学.
“ 学习自然界的现象作为技术创新的模式” 的 基本概念.
1960年，在美国俄亥俄州召开第一届仿生讨论 会，收到28篇论文。美国学者J.E.斯梯尔提出 “bionics” 一词，他将其定义为：仿生学是研 究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特 征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统 科学
乳突直径为2.89±0.32um，距离9.61±2.92um， 纳米管平均直径为30~60nm，
静态接触角约为1600，滚动角约30。
20
➢蜘蛛丝的结构与仿生
最早研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和 人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。蚕或者蜘蛛吐出的 丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和 美丽的光泽。
模仿的形态包括：体表形态结构、 翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的 形状、昆虫巢穴形态及结构等。
6
仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施
7
蝴蝶翅膀鳞片仿生
然置功度阳 模 变不实而光 仿 化断现调照 蝴 的变对节射 蝶 控化人体方 翅 制而造温向 面 。引卫的自 上
常见的仿生材料
常见的仿生材料仿生材料是一种具有生物学特性和功能的材料，它可以模仿生物体的结构和功能，具有良好的生物相容性和生物活性。
常见的仿生材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、生物陶瓷复合材料、生物高分子材料等。
这些材料在医学领域、生物工程领域和生物传感器领域等方面具有重要的应用价值。
生物陶瓷是一种无机非金属材料，具有良好的生物相容性和抗腐蚀性能。
它通常用于制作骨修复材料、人工关节、牙科修复材料等。
生物陶瓷具有高强度、高硬度和耐磨损的特点，能够有效模拟人体组织的力学性能，因此被广泛应用于医学领域。
生物玻璃是一种特殊的玻璃材料，具有良好的生物相容性和生物活性。
它通常用于制作骨修复材料、牙科修复材料、人工眼镜等。
生物玻璃具有优秀的生物降解性能，可以促进骨组织再生和修复，因此在医学领域具有重要的应用前景。
生物陶瓷复合材料是将生物陶瓷与其他材料复合而成的材料，具有综合性能优异的特点。
生物陶瓷复合材料通常具有良好的生物相容性、高强度、高韧性和耐磨损性能，被广泛应用于人工关节、牙科修复材料、骨修复材料等领域。
生物高分子材料是一类具有生物相容性和生物降解性能的高分子材料，包括生物降解塑料、生物降解纤维、生物降解膜等。
这些材料通常用于医学缝合线、医学缝合丝、组织工程支架等领域，具有良好的生物相容性和生物降解性能，能够有效促进组织再生和修复。
总的来说，常见的仿生材料具有良好的生物相容性、生物活性和生物降解性能，能够有效模仿生物体的结构和功能，具有重要的应用价值。
这些材料在医学领域、生物工程领域和生物传感器领域等方面发挥着重要作用，为人类健康和生活质量的提高做出了重要贡献。
随着科学技术的不断进步，相信这些仿生材料将会有更广泛的应用和更好的发展。
生物材料中的仿生材料与生物智能材料
生物材料中的仿生材料与生物智能材料
一、仿生材料
仿生材料是一种仿照生物构筑的新型材料，它以生物为模式，结合生物、材料和工艺科学的知识，根据生物系统的结构，制造和组装出仿生材料。
它结合了生物的多样性、功能性和结构性，它可以在实验室中调制，
也可以被应用到日常生活中，具有重要的应用前景。
仿生材料具有一系列独特的特性，例如，它可以根据不同的环境条件，形成不同的功能；它可以根据不同的需求，动态地做出应付各种复杂环境
的变化；它可以实现自我修复，从而达到复原机能的目的；它可以改变自
身的表面结构，从而提高其功能和耐久性；它可以调节其结构密度，以达
到特定的功能。
仿生材料可以应用于多个领域，例如，医学假肢，可以用仿生材料研
制出来，它可以与人体紧密结合，帮助实现身体移动；它可以用于环保，
制造出可以迅速吸收高污染物的仿生材料，从而减少污染源；它也可以用
于纳米技术和芯片制造，能够有效地减少电子元件的尺寸和耗能，从而有
效提升效率。
生物智能材料是一种由生物分子、细胞和结构元件组成的显示、感知、运动、调节有机体特性的新型材料，它可以根据环境变化自动调节机体内
部的特性。
仿生材料的研究与发展
仿生材料的研究与发展随着科技的快速发展，仿生学的研究越来越吸引人们的关注。
仿生学是基于生物学的原理和结构，将其应用到未来的工业和技术中。
仿生材料作为未来发展的一个重要方向，正在受到越来越多的关注。
这篇文章将为您介绍仿生材料的研究与发展，以及未来的应用前景。
1. 仿生材料的定义和种类仿生材料是一种能够模拟生物体结构和功能的材料。
它是由生物材料和非生物材料组成的材料。
仿生材料可以帮助我们更好地理解生物体的结构和功能，也能够为未来的科技和工业带来许多新的机会。
仿生材料种类繁多，常见的有：仿生纳米材料、仿生智能材料、仿生能源材料、仿生高分子材料等。
每种仿生材料都有不同的应用领域和功能。
2. 仿生材料在减轻环境压力上的作用随着人类活动的不断增加，人类对环境的压力也在加大。
如何减轻环境压力，成为了人类面临的一个重要的问题。
而仿生材料因为能够模拟和应用生物体的结构和功能，就成为了减轻环境压力的一个重要手段。
例如，仿生智能材料可以模拟蚂蚁群体的智能行为，实现能源的高效管理和优化。
而仿生高分子材料可以模拟植物的叶子，实现高效的光合作用。
这些仿生材料的应用，能够在环境保护方面发挥积极的作用。
3. 仿生材料在医疗领域的应用仿生材料在医疗领域也有着广泛的应用。
例如，仿生高分子材料可以模拟人体组织，用于人体的修复和再生。
仿生智能材料可以模拟神经系统，用于治疗神经系统疾病。
这些仿生材料的应用，能够为医疗领域的技术和治疗带来极大的便利。
另外，仿生材料还可以用于制造仿生器官和仿生蛋白等，这些仿生产品可以替代失去功能的器官和组织，为人体健康带来很大的帮助。
4. 仿生材料在工业生产中的应用仿生材料在工业生产中也有着广泛的应用。
例如，仿生纳米材料可以模拟自然界中的微生物和生物，用于制造高效的纳米材料，提高工业生产的效率和成品率。
仿生高分子材料可以模拟蛋白质和胶体，用于制造高质量的高分子产品。
这些仿生材料的应用，能够为工业生产带来巨大的效益。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
one
内置液芯胶囊法
LOGO two
three
内掺有机化合物法
多孔纤维网修复法
3.2.1.1 内置液芯胶囊法
将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤 维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在 外力作用下发生开裂，部分胶囊或空 心纤维破裂，粘结液流出深入裂缝， 粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。
仿生智能材 料
2.1 生物陶瓷及其复合材料
生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料， 即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶 瓷材料。广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。
氧化铝生物陶瓷材料 复合生物陶瓷材料
磷酸钙生物陶瓷材料
A
B 被动修复混凝土
主动修复
自修复混凝土
3.3.2 自修复混凝土概论
智能自修复混凝土,是利用形状记忆合金（SMA） 的超弹性特性,结合修复胶粘剂对裂缝面的填充、 粘结功能现混凝土损伤、裂缝适时快速地自修复。
记忆合金充当骨架，连结液充当血肉
22
3.3.3 自修复混凝土效果
同时有SMA和纤维修复时 修复后的变形趋势与修复前基本一致,修复后试件的开裂荷载有一定 的提高。这表明:试件在第一次试验破坏后其性能得到了恢复;开裂区 混凝土强度得到了提高。
3.3.4 自修复混凝土优缺点
这款泳衣自投入市场以来，一路伴 随着泳坛的革命，已作古的44项世界 纪录中，居然有40项跟它有关。
3.1 鲨鱼皮泳衣
鲨鱼皮：鱼的皮肤表面有许多粗糙的V形褶皱，这种褶皱可以分开
水流，使其高速从身体周围流过，减少游泳过程中水流产生的阻力。
3.2 自愈合混凝土
自然界的生物可以利用自修复 对已经损坏的组织进行修复。
自愈合混凝土能对裂纹的自我 修复，使混凝土能够主动、自 主的对损伤部位进行修复，恢 复并提高混凝土材料的性能。
3.2.1 自愈合混凝土
自愈合混凝土是在自然自愈合的基础上使用一些工程技术提高混凝土 的自愈合能力。
3.3.3 自修复混凝土制备
修复纤维采用玻璃纤维,修复胶 粘剂采用低粘度的环氧树脂胶粘剂。
形状记忆合金及纤维管分布如图 所示。
3.3.3 自修复混凝土效果
只有SMA修复时
梁在跨中竖向荷载作用下,裂缝宽度 随着试件挠度的增加不断增加。(a)、 (b)分别为试件在最大挠度时和卸载 以后的裂缝图案。从图中可以清楚的 看到:卸载以后,裂缝基本上闭合。
形状记忆合金大大地提高了梁的变形能力，提高了混凝土的变形抗力 在荷载作用下,在梁的跨中附近出现裂缝, 裂缝宽度随着载荷 的增加不断增大;卸载后,裂缝基本上闭合 纤维管破裂、修复剂胶粘剂流入到裂缝中以后,将裂缝面重新粘结在 一起,修补了裂缝,使混凝土性能得到了恢复。
工程造价提高
1995年神户地震
2004年新泻地震
2008年汶川地震
2010年智利地震
2015年尼泊尔地震
3.2 自愈合混凝土
混凝土结产生损伤积累和抗力衰减，从而不可避免地会产 生微开裂 。损伤的不断积累，导致了混凝土的微裂纹的产 生，如果不能及时修复，可能由此诱发宏观裂缝生成，降低 结构承受能力，甚至直接导致混凝土工程的崩塌。
实验表明, 第二次弯曲实验中, 被粘结剂愈合 后的试件将能承受更大的荷载, 并且材料的 延展性、柔韧性也得到了较大的改善。
第一次测试( 化学粘结剂释放之前) 第二次测试( 粘结剂释放进基体之后)
3.2.1.3 内掺有机物化合物法
在硅酸盐水泥中掺人特殊有机化合物，并搅 拌均匀．生成所谓“生物水泥”。
将不含固化剂的环氧树脂， 在碱性的环境下， 环氧树脂具有缓慢硬化的特征，未硬化的环氧树脂被 已硬化的包住，而形成自封的微胶囊，一旦断裂产生， 微胶囊破裂愈合裂纹
3.2.2 缺点探究
受到龄期、环境介质、
A
温湿度和外加剂等的影 响，耗时长，效果不明
显。
不足
C 施工过程中比较麻烦。
B 修复胶黏剂一般具有
毒性，很大程度上影响 了研究成果在工程中的 应用
3.3.1自修复混凝土
模仿动物的骨骼组织结构受创伤后 的再生恢复机理，采用修复装置和混凝 土材料相复合的方法，研究出对损伤破 坏具有自修复和再生功能的材料，恢复 甚至可提高材料性能的一种新型高新 技术
L/O/G/O
仿生物材料
Contents
1
仿生材料简介
2
仿生材料的分类
3 仿生材料的应用举例
1.1 仿生材料学的提出
1960年9月 J.Steele 正式提出仿生学的概念。他被定义为模仿生物 系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术具有或类似于生物系统 表征的科学。
1.3 仿生材料的研究内容
仿生材料和结构在新领 域中的应用 ,如在机器 人和航空结A构dd等Yo方ur 面Text
在生物结构的 力学分析A指dd导Yo下ur T,对ext 现有结构设计的优化
直接模仿生物体进行的材料制备与开发
仿生材料学
模仿生物体所进行的某些系 统的开发, 如超灵敏度机械接 收器等
在模仿过程中受到启发, 以所得 到的结构、化学等新概念, 进行 新Ad型d Y合ou成r Te材xt料的设计
Add Your Te利xt用生物加工技术制备材料的力学行 为分析
2.分类
仿生物材 料
生物陶瓷及 其复合材料
组织工程材 料
2.3 仿生智能材料
仿生智能材料是指模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的的材料。
高分子凝胶材料
仿生智能材料
智能药物释放体系
仿解薄膜
3.1 鲨鱼皮泳衣
鲨鱼皮泳衣，Speedo公司出产的一种模仿鲨鱼皮肤制作的高科技泳衣。 1999年10月，国际泳联正式允许运动员穿鲨鱼皮泳衣参赛。（2010年禁止使 用）
鲨鱼皮泳衣：仿造鲨鱼皮结构，表面结构模仿V形皱褶，纵向排列V
形纹理。包裹了全身的泳衣有效地降低了水流和皮肤的摩擦力。采用 超声缝合技术，做到完全密封，无针脚。表面覆盖聚亚安酯，减小摩擦 增大浮力
效果：鲨鱼皮泳衣能降10％的水中阻力减少5％的氧消耗，提高2％的
成绩 。
3.2 自愈合混凝土
1976年唐山地震
20年来，人们已经成功把木，骨和韧带的力学性能及其结构应用到 聚合物和符合材料等方面。对仿生学的研究不在局限于生物方面，仿 生学就被扩展成为一个涉及面非常广的科学，其中仿生学在材料科学 中的分支称为仿生材料学。
1.2 仿生材料定义
仿生材料是一类模仿生物的各种特点或特性而开发的材料，通常 我们把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的 人工材料成为仿生材料。
L/O/G/O
Thank You!
Step 2
Step 3
高聚物反应释放水 分与水泥反应
Step 1
多孔（含有粘结剂） 纤维网包埋混凝土。
裂缝发生，纤维断
裂引发反应形成高 聚物。
Step 4 修补完成
3.2.1.2多孔纤维网修复法
试验将空心玻璃纤维中注入高分子溶液作 为粘结剂, 埋入混凝土中，荷载导致修复纤 维开裂并释放粘结剂进入混凝土基体
羟基磷灰石生物陶瓷材料 涂层生物陶瓷材料
2.2 组织工程材料
组织工程材料是由于替代某些生物体组织器官或恢复、维持 以及改善其功能的一类仿生材料。
应用类型
植入装置 体外装置 原位生长和修复
举例
人工血管 骨和软骨 人工胰脏 甲状腺 肾上腺
生物人工肝 神经再生 人工皮肤
Step 1
Step 2
Step 1 Step 2 Step 3
将内含粘结剂的空心胶囊包埋在混凝土中。 裂缝发生，胶囊破裂，释放粘结剂。 修复裂纹。
Step 3
3.2.1.2多孔纤维网修复法
在含有单聚物的磷酸钙水泥基 材中加人多孔的编制纤维网。一旦 混凝土在外力作用下发生开裂，部 分纤维网破裂，粘结液流出深入裂 缝，粘结液可使混凝愈合。