仿生智能材料PPT课件
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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
15
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
6
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”。
18
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）。
a
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a
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。
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
形状记忆陶瓷的应用：制作金属管的密封外接套。
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
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
构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体
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。
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》课件
• 2 Malth偶然 -
仿生智能材料的未来展望
tun our
令人'
M M = own the py,psilon we, , n率先垂 up the 1 ，专注于 ， -专注于一 ,聚 , - the一层, ain ,iet所 ，， our， P，，，。，早晨 the.图 ierno乖乖 ， our 1，，"
仿生智能材料的仿生结构设计
生物结构
生物体通过复杂的结构来实现各种功能，如骨骼、肌肉、皮肤等 。这些结构具有优异的力学性能、自适应性等特点。
仿生设计
模仿生物体的结构特点，设计出具有类似功能的材料或结构，如仿 生骨、仿生肌肉等。
仿生应用
通过仿生结构设计，可以改善材料的力学性能、耐久性、自适应性 等方面的性能，为工程领域提供新的解决方案。
仿生智能材料在能源领域的应用
总结词
优化能源储存
详细描述
在能源储存方面，仿生智能材料通过模仿生物体内的能量储存机制，开发出具有 高能量密度、快速充放电能力的储能设备。例如，仿照昆虫的飞行机制设计的微 型飞行器，可以利用仿生智能材料实现高效、持久的能源储存和释放。
仿生智能材料在环保领域的应用
总结词
改善环境质量
仿生智能材料的分类
生物体结构仿生材料
生物体系统仿生材料
模仿生物体的骨骼、肌肉、皮肤等组 织结构的材料，如仿生骨、仿生肌肉 等。
模仿生物体的整体结构和功能的材料 ，如仿生机器人、仿生智能系统等。
生物体功能仿生材料
模仿生物体的生理功能和行为特征的 材料，如仿生传感器、仿生驱动器等 。
仿生智能材料的应用领域
医疗领域
用于制造仿生器官、组织工程 和生物材料，提高医疗效果和
仿生智能材料的未来展望
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仿生智能材料的仿生结构设计
生物结构
生物体通过复杂的结构来实现各种功能，如骨骼、肌肉、皮肤等 。这些结构具有优异的力学性能、自适应性等特点。
仿生设计
模仿生物体的结构特点，设计出具有类似功能的材料或结构，如仿 生骨、仿生肌肉等。
仿生应用
通过仿生结构设计，可以改善材料的力学性能、耐久性、自适应性 等方面的性能，为工程领域提供新的解决方案。
仿生智能材料在能源领域的应用
总结词
优化能源储存
详细描述
在能源储存方面，仿生智能材料通过模仿生物体内的能量储存机制，开发出具有 高能量密度、快速充放电能力的储能设备。例如，仿照昆虫的飞行机制设计的微 型飞行器，可以利用仿生智能材料实现高效、持久的能源储存和释放。
仿生智能材料在环保领域的应用
总结词
改善环境质量
仿生智能材料的分类
生物体结构仿生材料
生物体系统仿生材料
模仿生物体的骨骼、肌肉、皮肤等组 织结构的材料，如仿生骨、仿生肌肉 等。
模仿生物体的整体结构和功能的材料 ，如仿生机器人、仿生智能系统等。
生物体功能仿生材料
模仿生物体的生理功能和行为特征的 材料，如仿生传感器、仿生驱动器等 。
仿生智能材料的应用领域
医疗领域
用于制造仿生器官、组织工程 和生物材料，提高医疗效果和
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
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。
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
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。
光导纤维传感元件检测结构中的应变和温度形状记忆合金执行元件使结构动作改变性状半导体控制电路控制系统根据传感元件的信息驱动元件动作智能材料编辑ppt智能结构的动作流程图识别分析判断行动驱动元件自适应地改变结构形状刚度位置应力状态固有频率等智能材料编辑ppt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
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
智能材料(课堂PPT)
26
单纤双向光纤收发器
用途
■城域光纤宽带网，适用于电信、 网通、广电等数据网络运营商
■ 多媒体传输：图像、话音、数据 综合传输、适用于远程教学、会议
电视、可视电话等应用 ■ 实时监控：实时控制信号、图像
及数据同时传输 ■ 抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、
远距离的恶劣环境下组网
27
（ ⅲ ）电／磁流变液智能材料 （ⅳ）磁致伸缩智能材料
13
（3） 智能特性
智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能 材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化， 具有自学习、自适应等功能。
由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特 性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各 种信息通过神经网络传输到计算机系统。现在一般有两种方 法，一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各 种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在智能材
36
（ ⅲ ） 自适应性和自修复性
• 研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度能根据需要随时 自动形成。人体皮肤的自适应性。
• 钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时， 氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中， 在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填 裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。
35
自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物 定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料， 能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊 物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。
这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中 的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，是农业 技术发展的方向。
单纤双向光纤收发器
用途
■城域光纤宽带网，适用于电信、 网通、广电等数据网络运营商
■ 多媒体传输：图像、话音、数据 综合传输、适用于远程教学、会议
电视、可视电话等应用 ■ 实时监控：实时控制信号、图像
及数据同时传输 ■ 抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、
远距离的恶劣环境下组网
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（ ⅲ ）电／磁流变液智能材料 （ⅳ）磁致伸缩智能材料
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（3） 智能特性
智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能 材料的主要区别。要求能分析、判断其参数的性质与变化， 具有自学习、自适应等功能。
由于计算机技术的高度发展，智能材料与结构的智能特 性已经或正在逐步实现，问题的关键是如何将材料敏感的各 种信息通过神经网络传输到计算机系统。现在一般有两种方 法，一种是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到的各 种参数传感到结构体系的普通计算机内；另一种是在智能材
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（ ⅲ ） 自适应性和自修复性
• 研究得比较多的是使材料表层的形状和厚度能根据需要随时 自动形成。人体皮肤的自适应性。
• 钛铝合金是用于高温发动机的重要高温材料，高温使用时， 氧化皮层容易裂开和脱落，人们通过加入一些物质到材料中， 在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮的裂纹伤口内，充填 裂纹，并逐渐隆起形成致密的抗氧化层而保护材料肌体部件。
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自调节智能材料的另一有趣实例，就是能够使药物 定位投放。日本科学家已经研制一种微细胶囊物质材料， 能够将药物包裹后带到身体的病变部位。在病变部位胶囊 物质表皮自行破裂而释放出药物，医治病变细胞。
这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中 的定位投放，能提高效率，降低成本，减少污染，是农业 技术发展的方向。
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”。
2024年度《智能材料》PPT课件
2024/3/23
驱动器分类
根据驱动原理的不同，驱动器可分为电磁驱动器、压电驱动 器、形状记忆合金驱动器等。
22
智能材料在驱动器中作用机制
2024/3/23
感知功能
智能材料能够感知外部环境的变化，如温度、压力、磁场等，并 将这些变化转换为电信号输出。
驱动功能
智能材料在接收到控制信号后，能够产生相应的形变或位移，从而 驱动机械设备的运动。
物理性能
包括热学、电学、磁学等性能，决定材料在特定环境下的行为。
化学性能
包括耐腐蚀性、抗氧化性等，影响材料的稳定性和耐久性。
11
结构与性能关系探讨
结构决定性能
材料的性能往往由其内部结构决定，如晶体结构影响材料的力学性 能和物理性能。
性能反映结构
通过对材料性能的测试和分析，可以推断出其内部结构的特点。
具有高比表面积、高导电性和优异电化学性能，应用于快速充放电、大功率输出等领域。
2024/3/23
储氢智能材料
通过物理或化学方式储存氢气，实现高效、安全的氢能储存与运输。
28
2024/3/23
07
总结与展望
29
当前存在问题和挑战
2024/3/23
智能材料的稳定性与可靠性
目前智能材料的性能在不同环境条件下存在波动，稳定性和可靠性 有待提高。
控制功能
智能材料可以通过改变自身的物理性质实现对驱动器的精确控制， 如改变材料的刚度、阻尼等。
23
典型案例分析
2024/3/23
压电陶瓷驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转换为机械能，实现 驱动器的运动。具有响应速度快、定位精度高等优点。
形状记忆合金驱动器
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。
专题-仿生智能纳米界面材料课件 (一)
专题-仿生智能纳米界面材料课件 (一)专题-仿生智能纳米界面材料课件近年来，随着纳米技术和生物技术的迅猛发展，仿生智能纳米界面材料的研究备受关注。
面对这一新兴领域，为了加强对学生的教育和培养，各高校相继推出了相关课程。
其中，《仿生智能纳米界面材料课程》是一个较为重要的课程。
本课程旨在介绍仿生智能纳米界面材料的基本概念、原理和应用，在课程的学习过程中，学生将会学习到有关生物材料、仿生智能材料、纳米材料和界面工程等方面的知识，掌握仿生智能纳米界面材料的制备和应用方法。
本课程的课件主要包括以下几个部分：一、概述本部分主要介绍了本课程的课程大纲，课程目标和教学方法。
二、生物材料这一部分主要介绍了生物材料的基础知识、特点、分类以及在仿生智能纳米界面材料中的应用。
三、仿生智能材料本部分主要介绍了仿生智能材料的特点、分类、原理、制备方法及应用。
四、纳米材料这一部分主要介绍了纳米材料的基础知识、特点、制备方法及其在仿生智能纳米界面材料中的应用。
五、界面工程本部分主要介绍了界面工程的基础知识、特点、分类以及在仿生智能纳米界面材料中的应用。
六、案例分析本部分通过案例分析，使学生更好地了解仿生智能纳米界面材料的应用和发展趋势。
本课程的课件编写具有很强的应用性和实践性。
学生可以通过学习课件掌握仿生智能纳米界面材料的制备方法和应用技术，掌握这一领域的最新研究进展和发展趋势。
同时，还可以通过讲解案例学习到科研中遇到的实际问题和解决方法，提高学生的科研能力和创新能力。
综上所述，仿生智能纳米界面材料是一个具有前沿性和研究性的领域，在这个领域中进行教育和培养具有很高的重要性。
本课程的课件设计从多个方面介绍仿生智能纳米界面材料的基本知识和应用技术，可有效提升学生的学习效果和科研能力，是一份必不可少的优秀教材。
(2024年)智能材料PPT课件
自组装技术
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
6
02
CATALOGUE
智能材料的特性与功能
2024/3/26
7
感知功能
01
02
03
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。
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
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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。
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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
6
02
CATALOGUE
智能材料的特性与功能
2024/3/26
7
感知功能
01
02
03
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。
第六章 智能仿生材料
机翼用智能材料：在高性能复合材料中嵌入细小的光纤, 光纤象神经那 样感受机翼上承受的不同压力, 光纤断裂时，光传输中断，发出事故警 告。
智能蒙皮:对于飞行器如飞机、火箭、卫星及潜水艇等，具有随外界条件 变化而变化以及探测周围环境的能力的表皮(蒙皮)。
23
（3）抑制振动和噪声
传感元件对结构的振动进行监测，驱动元件在微电子系统的控
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--同位复眼照相机
--精确制导技术
在墙壁上行走的动物——壁虎
壁虎脚底高黏附力的产生原理： -壁虎脚底大量的细毛与墙壁排除空 气制造气压。 -壁虎脚底大量的细毛与墙壁灰尘产 生静电排开灰尘。
Hansen W. R., Autumn K. PNAS 2005;102:385-389K Autumn, et al. Nature 2000, 405:681.
智能仿生材料的发展
•
世界各国均在智能仿生学上做了精心、 长期的计划准备美国、德国、英国、日本、 俄罗斯等。 • 中国：《国家中长期科学和技术发展规 划纲要》（2006-2020）把智能材料与结构 技术摆在新材料技术的首要位置。
智能仿生构思
特殊的表面微 观结构：使固/液
界面形成气膜，从 而导致水滴不能浸 润而达到超疏水性. • 植物叶(典型代表荷 叶) • 昆虫翅膀(如蝉、蜻 蜓、蝴蝶翅膀等)
人类研发的机器人应用
• •
焊接机机器人“深蓝”：打败世界 象棋冠军卡斯帕罗夫。1秒钟以内可以考虑2亿种状 态相当于向前看10-15步。 • 2009年5月31日，美国研发的“海神”号机器 人坚挺成功下潜6.8英里（约11000）米，探秘世 界上最深的马里亚纳海沟（挑战者深渊）。“海神 ”号成为有史以来抵达海洋最深的一个自动工具。
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。
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仿生智能材料
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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2
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
11
12
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。
13
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。
19
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。
20
(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）。
5
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。
6
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。
7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
8
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
18
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
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。
10
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
22
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。
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
14
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。
（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。
16
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。
17
2. 智能材料的特征
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。
9
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，
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。
15
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；
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。
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。
21
(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。
3
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。
4
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。
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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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
11
12
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。
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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。
19
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。
20
(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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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。
6
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。
7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
8
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
18
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
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。
10
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
22
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。
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
14
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。
（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。
16
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。
17
2. 智能材料的特征
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。
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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，
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。
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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；
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。
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。
21
(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。
3
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。
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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。