仿生材料课件
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壁虎仿生材料 ppt课件
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2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
为得到类壁虎的分层绒毛 阵列，可将具有纳米孔和微米 孔的膜结合在一起作为模板。[3]
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2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
03
基于微纳米绒 毛生长的定向
自装配法
虎的绒毛结构，并测量其与AFM探针间的粘附力，发现47％~63％ 的粘附力都是由范德华力提供的。在这几种主要证据的支持下，范
德华力被普遍认为是壁虎实现粘附的主要机理。[1]
本模板的所有素材和逻辑 图表，均可自由编辑替换 和移动。
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1.1壁虎的吸附机制
Kellar Autumn等人利用MEMS技术制造的高精度二维压阻悬臂梁测量了壁虎单根刚毛的粘附
Gaurav J Shah等人将 壁虎的层状阵列简化为 图所示的模型，其中 L为nm级绒毛的长度； a为绒毛半径； w为绒毛间距； θ为绒毛倾角。
纳米级绒毛建模为有倾 角的圆柱状悬臂梁，顶 端是个半球体，如图所 示，这样更符合人工制 造绒毛的实际形状。[2]
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2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
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1.2壁虎的脱离机制
Kellar Autumn等人发 现，当刚毛与基底成30ﾟ 角时会突然发生脱离， 说明可能存在脱离的临 界角。整个脱离过程就 像是在剥离条带，这可 能是随着角度的增加， 刚毛边缘的应力增加， 导致绒毛与基底间的连 接出现裂纹，裂纹逐渐 增大造成脱离。[1]
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何表面或者某指定区域内进
行，但是它只能生产几种特
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7
5.伪装之王变色龙
▪ 变色龙学名叫“避
役”，它行动迟缓，
面目可憎，浑身灰黑
色，布满了疙瘩，可
是它在一昼夜中能变
换六七种颜色。原来，
变色龙的表皮上有一
个变幻无穷的“色彩
仓库”，贮藏着黄、
绿、蓝、黑等各种色
素细胞，一旦周围的
光线、温度和湿度发
生了变化，变色龙就
随之改变体色。
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精t
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▪ 仿的是我哟
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4.导弹命名“响尾蛇”
▪ 响尾蛇是一种毒性很 强的蛇，它有一种能 探测周围环境中温度 变化的红外线感受器， 长在眼睛与鼻孔之间 的颊窝里。由于响尾 蛇具备了这种红外线 感受器，在黑暗中也 能准确无误地捕获猎 物。
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6
▪ 美国的海军武器研究 中心，利用这一原理， 研制出一种空对空导 弹的敏感器件，能够 探测来自目标的红外 辐射，从而紧紧盯住 目标不放，直至把目 标摧毁。这种导弹被 命名为“响尾蛇导 弹”。
有趣的仿生学
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1
▪ 仿生学作为一门独立的学科，形成于20世 纪60年代，它是研究生物系统的结构性质、 能量转换和信息加工的处理过程，用来改 善现有的或创造出崭新的机械、仪器、建 筑结构和工艺过程的边缘学科。仿生技术 是发展现代高新技术的重要途径之一。
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2
1.我国最早的仿生师——鲁班
▪ 我国古代杰出的工匠鲁班， 在一次上山砍树时，不小 心被一棵小草划破了手， 他好奇地摘下草叶观察， 发现叶子的边缘有许多锋 利的小齿，于是突发奇想， 把铁片磨上细齿用来割断 木头，从而发明了常用的 伐木工具——锯。锯的发 明是鲁班从带齿的叶片得 到的启发。
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类水稻叶表面碳纳米管薄膜
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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。
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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
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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
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固 气液
固液
(2)浸渍润湿
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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。
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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
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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。
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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
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形体模仿结构模仿形体模仿结构模仿?常见种类常见种类?生物与造船生物与造船?生物与飞机生物与飞机?生物与建筑生物与建筑研究和模拟的是生物机体外部形态和内部结动物的动物的动物的飞行行行力学仿生力学仿生力学仿生力学仿生理和动物的飞行生物与造船体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇俄罗斯海军新型核潜艇模仿鳕鱼鲇鱼外形建造的复仇号帆船造的复仇号帆船模仿鳕鱼鲇鱼外形建生物与造船生物与造船结构的模仿模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍船装上了船鳍模仿鲸的胸鳍给模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液以减小湍流粘液以减小湍流模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工生物与飞机飞飞鸟的鸟的体体体体形和翅膀在滑进进飞飞行行时与时与飞飞飞飞机的飞行极为相相似似鹰击长空啸傲云天形和翅膀在滑机的飞行极为生物与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤昆虫飞行时翅膀的运动很复杂其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好昆虫翅膀的运动昆虫翅膀的运动生物与建筑舱体结构薄壳结构艺术珍品艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院悉尼歌剧院澳大利亚东京中银舱体楼东京中银舱体楼美国佛罗里达的未来世界博物馆物馆美国佛罗里达的未来世界博?研究和模拟的是生物体中的各类化学反应包括酶学原理选择性生物膜和生物结构的能量转换酶学原理选择性生物膜和生物结构的能量转换生物发光生物发光生物发电等生物发电等
电源
嗅敏检测仪
嗅敏电阻是一类以SnO2为主体 的金属半导体，它是一种表面 效应很强的材料。
仿生物膜
细胞膜 ——流动镶嵌模型
脂双层形成框架； 蛋白质镶嵌其中； 具有动态特点
人工膜的特点
化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不
同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作， 能用来研究膜的向量功能（如传递等）。
仿生设计
主要内容
仿生学概念 仿生学的研究方法 仿生与工程技术
电源
嗅敏检测仪
嗅敏电阻是一类以SnO2为主体 的金属半导体，它是一种表面 效应很强的材料。
仿生物膜
细胞膜 ——流动镶嵌模型
脂双层形成框架； 蛋白质镶嵌其中； 具有动态特点
人工膜的特点
化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不
同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作， 能用来研究膜的向量功能（如传递等）。
仿生设计
主要内容
仿生学概念 仿生学的研究方法 仿生与工程技术
产品仿生设计案例优质PPT课件
我们都知道把海螺放在耳边就能听见 “海的声音”，这一原理正是因为海 螺的内部腔体属于不规则螺旋结构， 内部空气会因为人耳的靠近，距离变 化后内部产生强大的反作用力，从而 形成“海的声音”。 盈通从海螺的这种内部结构中吸收设 计精髓，利用海螺腔体设计了特殊风 道，风道属不规则螺旋体结构。 运行长时间的情况，你也不会感觉有 任何噪音。
蝴蝶 法蓝瓷
设计师以柔美的色彩与线条，勾勒出蝴蝶或 动或静的姿态，看似精致却又充满张力，看似飞 舞却又静谧优雅。杯盘上，翩翩起舞的蝴蝶，似 乎正收敛它那微微颤动的翅膀，栩栩如生地停驻 在朵朵水仙上，动中有静，静中带动。将蝴蝶的 “形美”与“神美”于瓷器的方寸之间表露无遗。
鱼尾 沙滩垃圾桶
沙滩上却是很难找到垃圾桶，这里就 有设计师采用的鱼尾型的仿生形态设计， 设计了一款专沙滩上使用的垃圾桶。可以 非常方便的插进沙子里面，当然是可以随 处移动的。
“蜂房（Hive）”是一套环绕立体声音箱， 6 角形 的蜂巢设计，可以从8个到30个扩展， 你可以 调整角度或安装在房间的任何地方， 以便获得最佳 的音响效果。
蜂 房
音 响
香水瓶
1981年法国超现实主义艺术大师 萨尔瓦多·达利，
根据油画作品《头戴玫瑰的女人》， 设计出香水《达利之花》，
此款香水的外轮廓和凸起部分想成了 一个奥妙的女性躯体，
苍耳 尼龙搭扣
瑞士有一位尼龙搭扣的发明者乔治， 他是一位很喜欢打猎的工程师，
每次打猎归来衣物上都粘满草籽（苍耳属植物）, 有一次，当他把刚摘下来的草籽用放大 镜深入细致地进行观察，
看到那些草籽上有诸多小钩子,根据这个原理， 经过多次试验和研究，
他制造了一条布满尼龙小钩的带子和一条布满 密密麻麻尼龙小环的带子。 扣在一起被称为尼龙搭扣。
仿生智能材料经典课件
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。
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”。
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”。
(精选课件)仿生学PPT课件
1
据英国（《泰晤士报》等媒体日前报道， 一名自颈椎以下瘫痪的美国男子借助一个与 计算机相连的植入器和人造手臂，就可通过 思维打开电视机、看电子邮件和处理其他一 些日常事务，此类大脑植入将最终使重度残 疾人能够控制轮椅和人造假肢。
这是迄今为止人类朝着开发“仿生学系 统”迈出的最大一步，它有可能使那些失去 肢体的人恢复神经运动的功能。日前出版的 《自然》杂志详细介绍了这项历时30多年的 研究所取得的非凡成果。
■技术仍待改进成熟 大脑与计算机的交互作用以前曾在人类和动物身上示
范过，而目前的这些进展是迄今朝着开发“仿生学系统” 迈出的最大一步，它们可恢复丧失四肢控制的人的神经功 能。在上个世纪70年代上映的电视连续剧《六百万美元的 人》中，科学家利用撞击受害者斯蒂夫·奥斯丁心灵控制的 仿生假肢，重塑了他的身体。当时，这种概念纯属是种幻 想，如今，这项仿生术经历了30多年的攻关研究后终于取 得了骄人的成果。
4
医学仿生学是仿生学的一个新学科，是仿生学在医学领域的应用，具体 表现为用仿生学技术修复身体功能，它依赖生物技术、工程学、信息与通信 技术、医学和纳米技术等研究领域。仿生学躯体在科幻小说中出现已有几十 年了。现在，研究人员创造出高科技装置，帮助人们重获行走、看和听的能 力。
医学仿生学几个关键领域的研究正在进行中，并已取得很大的成就，但是 仍然处于发展初期（婴儿期）。仿生装置正向更易于控制、更轻、更小、更 逼真而价格不太昂贵的方向发展。
附近神经细胞的电子信号。这些信号又通过 翰教授说，“这些结果展示了令人喜悦的前
微小的金属丝传输到一个镶嵌在患者头皮上 景，有一天，人们将用这些大脑信号刺激肢 方的一英寸大小的钛基座上。一根电线将这 体的肌肉，有效地通过一像着移 恢复大脑对肌肉的控制。”
据英国（《泰晤士报》等媒体日前报道， 一名自颈椎以下瘫痪的美国男子借助一个与 计算机相连的植入器和人造手臂，就可通过 思维打开电视机、看电子邮件和处理其他一 些日常事务，此类大脑植入将最终使重度残 疾人能够控制轮椅和人造假肢。
这是迄今为止人类朝着开发“仿生学系 统”迈出的最大一步，它有可能使那些失去 肢体的人恢复神经运动的功能。日前出版的 《自然》杂志详细介绍了这项历时30多年的 研究所取得的非凡成果。
■技术仍待改进成熟 大脑与计算机的交互作用以前曾在人类和动物身上示
范过，而目前的这些进展是迄今朝着开发“仿生学系统” 迈出的最大一步，它们可恢复丧失四肢控制的人的神经功 能。在上个世纪70年代上映的电视连续剧《六百万美元的 人》中，科学家利用撞击受害者斯蒂夫·奥斯丁心灵控制的 仿生假肢，重塑了他的身体。当时，这种概念纯属是种幻 想，如今，这项仿生术经历了30多年的攻关研究后终于取 得了骄人的成果。
4
医学仿生学是仿生学的一个新学科，是仿生学在医学领域的应用，具体 表现为用仿生学技术修复身体功能，它依赖生物技术、工程学、信息与通信 技术、医学和纳米技术等研究领域。仿生学躯体在科幻小说中出现已有几十 年了。现在，研究人员创造出高科技装置，帮助人们重获行走、看和听的能 力。
医学仿生学几个关键领域的研究正在进行中，并已取得很大的成就，但是 仍然处于发展初期（婴儿期）。仿生装置正向更易于控制、更轻、更小、更 逼真而价格不太昂贵的方向发展。
附近神经细胞的电子信号。这些信号又通过 翰教授说，“这些结果展示了令人喜悦的前
微小的金属丝传输到一个镶嵌在患者头皮上 景，有一天，人们将用这些大脑信号刺激肢 方的一英寸大小的钛基座上。一根电线将这 体的肌肉，有效地通过一像着移 恢复大脑对肌肉的控制。”
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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 游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）
比直立式更快）
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）
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（Night Moth）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-cleaning properties )
主要参考资料：
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
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?
仿生材料 ppt课件
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2.3仿壁虎脚粘附材料
自然界一类生物,如壁虎、蜘蛛、蚱蜢、蚂 蚁、苍蝇等,不但能在垂直的墙壁上停留和爬行, 而且能在天花板上运动自如.这种超强粘附爬行 的能力引起了人们广泛的研究兴趣, 其中壁虎由 于体重较大成为仿生粘附研究的主要对象.早在 公元前4世纪亚里士多德就观察到“壁虎甚至能 够头部向下也可以在树上自由地上下爬行”。
殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定
水下超疏油表面。这一发现也从侧面反映
pp了t课荷件叶下表面是抗生物粘附的性质。
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水下超疏油仿生界面材料的构筑
在仿生研究领域中，模板复形法是一种简单、有效、快速的技术，能够通过 复制生物界面的表面结构获得具有特殊功能性的界面材料。环氧树脂、聚二 甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氧化铝、聚电解质、光聚合 物都可以用做模板材料。
超疏水材料一般可以通过两种方法来制备: 一种是在粗 糙表面修饰低表面能物质;另一种是在疏水材料(一般其 接触角大于90°)表面构筑粗糙结构.
目前, 已经报道了许多比较成熟的制备技术, 如电化学 沉积法、等离子体和激光刻蚀法、交替沉积法、电纺丝 法、模板法、溶胶-凝胶法等.
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中科院化学所的徐坚等发明了制造“仿 生荷叶”技术。他们分析了荷叶的表面 细微结构，发现其表面有许多乳状突起， 这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花 自洁效应”的成因，可以让荷叶不沾染 脏东西。于是，专家们模仿了荷叶的表
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Qu 等利用化学气相沉积法,在硅基底上生长出竖直排列的多壁碳纳米管阵列,并 研究了其粘附性能.碳纳米管由竖直部分及端部的弯曲部分组成,分别用来仿生壁
虎脚部刚毛和铲状绒毛.当碳纳米管阵列与基底接触时,弯曲部分与基底表面的线
天然蜘蛛丝仿生材料课件ppt
蛋白基因仿生生物表达法
蜘
蛛
链段及二次结构仿生化学合成
丝
仿
微观结构仿生物理复合法
生
思
金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性
路
……………………
Heim2M0.2, K1/e3e/r1l D0. Scheibel T., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(20), 3584-3596
蜘蛛属肉食性动物，不喜群居；再将一定数量的蜘蛛饲养在一起时，蜘蛛之 间会相互撕咬，则无法像养家蚕一样饲养蜘蛛获得大量的蜘蛛丝；并且由于蜘蛛 本身腺体较多，不同腺体产生的丝性能不同，无法得到单一性质的蜘蛛丝。
另外，由于天然蜘蛛丝难以加工成为其他的特定形状以供不同用途所需，则 应用范围收到极大限制，因此需要寻求新的方法和途径来获得具有天然蜘蛛丝相 似结构和功能的新材料。其中，利用仿生学原理，通过研究蜘蛛丝的结构和功能， 来人工合成蜘蛛丝仿生材料是其中很重要的途径。
2021/3/10
8
Lewis R. V. et al.,Protein Exp Purif,1996(7):400-406.
微生物作为载体进行基因表达
收集菌体通过超声波破碎法裂解，清 洗后经行电泳实验测定蛋白。
植物作为载体进行基因表达
Potato Grater
Fractioning in wet-process
11
Lazaris A, et al. Science, 95(2002), pp. 472-476
2.2 链段及二次结构仿生化学合成法
天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元（主要为丙氨酸和甘氨酸 单元）组成的链段共聚物，其二次结构主要包括β-折叠构象和螺旋构象，通过 链段及二次结构仿生化学合成法，从分子结构出发，可以设计具有天然蜘蛛丝 蛋白链段结构和二次结构类似的各种聚合物，这为天然蜘蛛丝仿生材料的发展 开拓了一个崭新方向。
《壁虎仿生材料》PPT课件
配法
前两种方法要首先生产主模板，上面有微纳米级尺度的大深宽比的孔阵 列，作为生产绒毛阵列的负版，然后用聚合物来灌注成型、烘培，通过 剥离或刻蚀与主模板分离。
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
01
纳米雕刻法
用一种纳米尖端，如原子力 显微镜或者隧道扫描显微镜 的针尖，纳米尖端阵列或者 任何具有大深宽比的微纳米 结构阵列，将其在柔软的蜡 平面上压槽，即得到主模板。 这种方法在制造具有不同倾 角和非对称的纳米阵列时具 有很强的灵活性，可以在任 何表面或者某指定区域内进 行，但是它只能生产几种特 定高宽比率的绒毛阵列，可 得到的阵列面积小，生产速 度也较慢。[3]
1.1壁虎的吸附机制
01
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
02
吸盘说？
壁虎放在玻璃罩子里，然后把玻璃 罩里的空气抽走，结果壁虎仍然可 以爬上垂直的玻璃
03
静电Байду номын сангаас？
使用x射线轰击靶材消除静电 引力后，在离子化的条件下刚 毛仍然能够实现粘附。
·
04
范德华力?！
1.1壁虎的吸附机制
范德华力?！
假设为范德华力：壁虎脚部的粘附力随着所接触基底的表面能的增 加而增加，Kellar Autumn等人利用单根刚毛的粘附力，使用JKR模
纳米级绒毛建模为有倾 角的圆柱状悬臂梁，顶 端是个半球体，如图所 示，这样更符合人工制 造绒毛的实际形状。[2]
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
2003年Metin Sitti在实验的基础上提出了三种制造方法[3]
01
纳米雕刻法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
前两种方法要首先生产主模板，上面有微纳米级尺度的大深宽比的孔阵 列，作为生产绒毛阵列的负版，然后用聚合物来灌注成型、烘培，通过 剥离或刻蚀与主模板分离。
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
01
纳米雕刻法
用一种纳米尖端，如原子力 显微镜或者隧道扫描显微镜 的针尖，纳米尖端阵列或者 任何具有大深宽比的微纳米 结构阵列，将其在柔软的蜡 平面上压槽，即得到主模板。 这种方法在制造具有不同倾 角和非对称的纳米阵列时具 有很强的灵活性，可以在任 何表面或者某指定区域内进 行，但是它只能生产几种特 定高宽比率的绒毛阵列，可 得到的阵列面积小，生产速 度也较慢。[3]
1.1壁虎的吸附机制
01
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
02
吸盘说？
壁虎放在玻璃罩子里，然后把玻璃 罩里的空气抽走，结果壁虎仍然可 以爬上垂直的玻璃
03
静电Байду номын сангаас？
使用x射线轰击靶材消除静电 引力后，在离子化的条件下刚 毛仍然能够实现粘附。
·
04
范德华力?！
1.1壁虎的吸附机制
范德华力?！
假设为范德华力：壁虎脚部的粘附力随着所接触基底的表面能的增 加而增加，Kellar Autumn等人利用单根刚毛的粘附力，使用JKR模
纳米级绒毛建模为有倾 角的圆柱状悬臂梁，顶 端是个半球体，如图所 示，这样更符合人工制 造绒毛的实际形状。[2]
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
2003年Metin Sitti在实验的基础上提出了三种制造方法[3]
01
纳米雕刻法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
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古代仿生学的萌芽
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）
近代仿生学的被动进展
20 世纪40 年代前
模仿生物本领 造出仿生材料
新兴学科——仿生学（仿生材料）
仿生学
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
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
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 统
（噪声测向仪→声纳系统）
蝙蝠、海豚的“回声定位”系
仿生学的分类
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
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
自然界生物的各种奇妙功能
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（Night Moth）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-cleaning properties )
和拨水性 (water repellent )；
生物的骨骼构造比钢铁强硬；
………
人类进化：500万年 形成了最优化的形态结构、 生命进化：约35亿年→ 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。
生物的各种奇妙功能 给人类启发 ---仿生思维
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-cleaning properties )
和拨水性 (water repellent )；
生物的骨骼构造比钢铁强硬；
………
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?
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
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 ……
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。
出版社（2004）。
第一章 绪 论
第一节 仿生学
自然界生物的各种奇妙功能
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（Night Moth）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；
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……..
仿生材料（Biomimetic Materials）
东华大学材料学院
邵惠丽
松江校区第五学院楼C566 Tel：67792953 E-mail：
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
仿生材料（Biomimetic Materials）