仿生材料1完整ppt课件
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仿生材料PPT课件
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）。
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
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）
预备知识：
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
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。
壁虎仿生材料 ppt课件
ppt课件
14
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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15
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。
ppt课件
5
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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11
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
ppt课件
7
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
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。
仿生学PPT课件
素以红、绿或蓝显示出来。手上的超薄电
子皮肤能在运动状态下作为电子显示屏来 使用。还能用于多种商业用途，例如播放
媒介。未来，这样的电子皮肤能用在手术
中，检测人体器官内的氧气含量。
如果把智能皮肤安置于人的上臂，它就能 检测脑波，然后把信号传达到假肢，让它 完成相应的动作。智能皮肤有着无限的可 能性，不仅是在医学领域，它在游戏竞技 和个人健康监测方面都有着极大的潜力。
15
PA R T
02
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人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分 子材料，它能够在外加电场下，通过材料内部结构 的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十 分相似。
人造肌肉状材料是根据生物学原理，由3种氨基酸
(缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸)按一定顺序排列而构成
的，它类似于人的肌肉纤维，具有弹性，且能随环
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肢疾人能够控制轮椅和人造假肢
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。
境温度和化学成分(如pH值)的变化而伸缩。由于它 能模拟活体的生物过程，于是，人们把这种材料称 为生物聚合物。
仿生设计ppt课件
信息仿生
水母耳与电子耳
“耳”（细柄上的小球) 中有小小的听石，上面 布满神经感受器，能听 到风暴产生时发出的次 声波（由空气和波浪摩 擦而产生，频率为8赫 兹-13赫兹，传播比风 暴、波浪的速度快） “水母耳”风暴预测仪 可提前15小时左右预报风暴
控制仿生
研究生物机体控制系统的结构与功能原理，并 用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制 系统。 当前研究较多的是体内稳态、反馈调节、肢体 运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落 和人－机合作。 .蛇的红外探测 .蝙蝠与超声波 .蛾的反雷达技术 .动物的天然导航
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
一、仿生学简介
仿生学(Bionics)
模仿生物系统的原理以建造技术系统，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
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟 轮子 船橹 透镜 电池 飞机
生活中的仿生学
动物体的结构对功能的适应性
信息仿生
青蛙与电子蛙眼
青蛙的视觉系统
由透镜（晶状体） 在视网膜上形成光 学图像后，经过视 细胞、双极细胞、 输出细胞（神经节 细胞）而送往大脑 中枢
信息仿生
青蛙与电子蛙眼
神经节细胞有4种： 1. “边缘侦察器”：感受外围 物体的边缘 2. “昆虫侦察器”：感受移动 的昆虫 3. “事件侦察器”：感受亮度 的变化 4. “光强减弱感受器”：感受 光线减弱时阴影的暗色部分 ★ “电子蛙眼”：人造卫星跟 踪系统、雷达系统、信息处 理系统等
结构适应于功能是动物中的
普遍现象
不同的动物，其形态结构特
征可以有相当大的差别。动 物为适应自然的选择，产生 了各种各样的形态特征。
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。
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
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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。
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
壁虎仿生材料PPT课件
壁虎仿生粘附材料
汇报人： 班级： 学号：
CONTENTS
一：壁虎的吸、脱附机制
二：仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
三：研究现状及展望
01
壁虎的吸、脱附机制
几个世纪以来,人们一直惊讶于一些动物如壁 虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。壁虎 可以在各种基底上自由地爬行,即便是在天花 板上也可以1m/s 的速度迅速地移动;独特的粘 附作用源自于自然界长期的进化,研究其吸、 脱附机理对仿制与之类似的生物材料有着巨大 的启示作用。
> 行，在没有任何测量到
外拉力的条件下，刚毛 在15 ms内能轻松脱离 基底。那么爬行中迅速 的脱离是怎样实现的呢?
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
1.2壁虎的脱离机制
另外一种解 释：
以壁虎 绒毛与基底 接触点为支 点,绒毛另一 端与基底的 距离为力臂,
Thanks for your
attention!!
1.1壁虎的吸附机制
01பைடு நூலகம்
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
静电说？
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?！
假他设们为使范用德两华种力不：同壁的虎疏脚水部性的聚粘合附力物 随(硅着树所脂接橡触胶基和底聚的酯表面树能的脂增加)制而增造加，了仿 K壁ell虎ar的A绒ut毛um结n构等，人并利测用量单其根与刚A毛FM 的探粘针附间力的，粘使附用力JK，R发模现4型7％对~63抹％的刀粘附形力都是 顶由端范德的华力半提供径的进。行在了这近几似种估主计要，证结据果的 为值支虎0很持实．接下现1近3， 粘~。0范附本 图 和模 表 移．板 ， 动德的的 均 。1所 可有 自华主6素 由材 编力要u和 辑逻 替m辑 换被机，普理与遍。实认[1验] 为测是量壁
汇报人： 班级： 学号：
CONTENTS
一：壁虎的吸、脱附机制
二：仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
三：研究现状及展望
01
壁虎的吸、脱附机制
几个世纪以来,人们一直惊讶于一些动物如壁 虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。壁虎 可以在各种基底上自由地爬行,即便是在天花 板上也可以1m/s 的速度迅速地移动;独特的粘 附作用源自于自然界长期的进化,研究其吸、 脱附机理对仿制与之类似的生物材料有着巨大 的启示作用。
> 行，在没有任何测量到
外拉力的条件下，刚毛 在15 ms内能轻松脱离 基底。那么爬行中迅速 的脱离是怎样实现的呢?
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
1.2壁虎的脱离机制
另外一种解 释：
以壁虎 绒毛与基底 接触点为支 点,绒毛另一 端与基底的 距离为力臂,
Thanks for your
attention!!
1.1壁虎的吸附机制
01பைடு நூலகம்
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
静电说？
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?！
假他设们为使范用德两华种力不：同壁的虎疏脚水部性的聚粘合附力物 随(硅着树所脂接橡触胶基和底聚的酯表面树能的脂增加)制而增造加，了仿 K壁ell虎ar的A绒ut毛um结n构等，人并利测用量单其根与刚A毛FM 的探粘针附间力的，粘使附用力JK，R发模现4型7％对~63抹％的刀粘附形力都是 顶由端范德的华力半提供径的进。行在了这近几似种估主计要，证结据果的 为值支虎0很持实．接下现1近3， 粘~。0范附本 图 和模 表 移．板 ， 动德的的 均 。1所 可有 自华主6素 由材 编力要u和 辑逻 替m辑 换被机，普理与遍。实认[1验] 为测是量壁
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。
《壁虎仿生材料》PPT课件
1.2壁虎的脱离机制
另外一种解释： 以壁虎绒毛与基底接
触点为支点,绒毛另一端与 基底的距离为力臂,吸附和 脱附时拖拽力均平行于基 底,但方向相反。脱附时的 力臂远远大于吸附过程中 的力臂,由杠杆原理知,壁虎 仅需用很小的力即可让绒 毛与基底分离。[1]
0 2
仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
壁虎的粘附阵列是一种性能优异的干性 粘着剂，由于是范德华力起主要作用， 粘附力主要受绒毛材料和几何形状的影 响，这为人们仿制粘附阵列提供了很大 的可能性。
本模板的所有素材和逻辑 图表，均可自由编辑替换 和移动。
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 力，最大值为194+25 uN 。所有刚毛同时粘附并达到最大值时，壁虎的脚掌可产生约1300 N 的粘附力。[1]
1.2壁虎的脱离机制
型对抹刀形顶端的半径进行了近似估计，结果为0．13~0．16 um， 与实验测量值很接制造了仿壁
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]
壁虎在竖直的墙壁上能 以1m／s的速度快速爬
> 行，在没有任何测量到
外拉力的条件下，刚毛 在15 ms内能轻松脱离 基底。那么爬行中迅速 的脱离是怎样实现的呢?
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]
相关主题
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精品课件
3
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。
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
精品课件
1
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
精品课件
2
仿生材料（Biomimetic Materials）
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
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）
精品课件
18
20 世纪40 年代前
潜水艇的沉浮系统的开发
术）
精品课件
16
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……..
12
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。
和拨水性 (water repellent )；
生物的骨骼构造比钢铁强硬；
………
精品课件
11
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 模仿生物本领
造出仿生材料
新兴学科——仿生学（精品仿课件生材料）
6. 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
精品课件
4
第一章 绪 论
第一领；
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；
群体意识
团结协作的群体活动
等级制度
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麝牛意识到危险来临， 立刻围成圆15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
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6
大象的奇妙行为-怪异的步伐
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7
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。
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8
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?
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9
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 ……
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）
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第二节 人类仿生的发展历史
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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 )
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。
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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
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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
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；
………
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5
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?