仿生材料学的研究设想

仿生材料学的研究设想

我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。

在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海

水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生

材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。

但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。

一、产品仿生设计

“仿生学”是1960年由美国斯蒂尔博士提出的从生物界发现原理来解决人类技术问题的一门综合性的交叉学科，是利用自然生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的标准，有意识地进行复制，它使人类社会由向自然索取转入向自然界学习和创造世界的新纪元。

产品仿生设计核心目标是利用仿生学提升产品的综合品质，需要综合考虑产品外部系统中的环境因素、人机因素、市场经济因素和产品内部系统中的功能要素、结构要素、材料要素、界面要素、造型要素、色彩要素、文化情感要素等等。在产品仿生设计的概念设计阶段，如果没有一个科学、系统的指导方法，设计师很容易将思维放在单一角度去思考，特别是因为过多地考虑造型、色彩等因素而忽略其它因素。

二、产品仿生创新内涵

产品仿生创新是指在社会及市场需求指引下，通过有效的观察、研究和模拟自然界生物的各种特性，包括生物的功能结构、材料色彩、生态外形、情感文化因素、为产品设计提供新的思路和方法，产生有环保价值和市场价值的新技术、新产品的方法论。

三、产品仿生创新机理

相似类比产品仿生创新机理，指人们在进行产品创新时，将产品与相关生物进行类比，利用已有产品特征与生物功能的相似性，可得到新的产品创新思路或方案。人类大部分创新产生于相似类比，它是产品仿生创新的重要机理。比如从鸟的飞翔到飞机、飞艇和飞船设计，从人的行为到机器人设计等。

同理转换仿生创新机理，指将生物功能特征经过同理转换后，移植于创新体而得到新的创新。如在研制轮船、导弹等动力装置时，将海中极具流线结构的鱼类外形同理转换到产品设计，即可实现产品的仿生创新。

四、产品仿生创新原则

优先选择原则，在进行创新设计活动时，应首先确立向自然界生物学习的优先原则。因为生物在进化过程中采用了最为经济合理的模式，形成了最为完美的结构与性能，能够提供几乎全部人类需要的创新启示。

需求取向原则，创新设计与技术发明等之间的最大区别在于创新设计起于发明而止于消费，即创新设计必须要创造出具有市场价值的商品。所以，坚持需求取向原则意义重大，它体现出了创新固有的价值性与目标取向性。

近似选择原则，由于生物的功能、造构及行为极其复杂，而人类在产品仿生创新过程中还存在很多技术问题，因此我们不可能实现完全意义上的仿生创新，但只要选择部分功能或得到相关的创新启示后，也许就能实现我们所需的创新方案。

多生物组合原则，每一种生物物种的独特性质或功能在应用起来只是单一而片面的。在进行仿生创新时，应全面组合与创新主题相关的一类或一组生物体特殊性质或功能进行仿生创新，取得等于或优于生物原型的创新成果。

在产品仿生创新研究中，容易产生误导的是直接复制生物系统的某种功能、某种结构或某个细节，所以在产品仿生创新中要系统的理解生物的功能原理、工作机制以，实现以特定功能为仿生创新的中心目的。

五、产品仿生创新策略途径

在产品仿生创新中存在三类相关模型：生物体原型、生物系统描述模型和创新模型。其中生物体描述与转换模型是生物体原型与创新模型之间必不可少的映射转换中介。具体来说，仿生创新步骤如图l所示。

产品的仿生创新，主要是指在市场需求导向下，利用仿生创新方法对产品进行的创新，该创新可以产生重要的使用及市场价值。主要途径方式为：

1.功能结构仿生创新：模拟生物机体内部结构和外部体现的功能时，可以研制出类似于生物体特征的具有高市场价值的仿生技术产品。铸造型砂专家秦升益在研究用国内硬度较低沙漠沙替时，受到了鸡蛋结构的启发，将沙漠沙进行高强度材料腹膜处理形成类似“鸡蛋壳”的结构，发明了性能优异的腹膜砂。

2.生态外形仿生创新：通过模拟生物机体外观生态形状，可以设计出具有生命力和环境适应能力的吸引眼球的创新形态产品。产品外形仿生创新方面可从具象和抽象仿生两方面着手，设计出比如各类飞行器、各类仿生物外形的建筑、类人机器、流线型产品等等。

3.材料色彩仿生创新：模拟生物体的有机材料和功能性色彩，能够产生性能优良具有特殊功能的产品，比如迷彩服装的保护功能和蛇体色的警告功能，仿生皮蜂窝支撑材料等等。

4.情感文化仿生创新：通过自然界中某一特定的生物形态的心理情感和审美反映的应用，使产品具有文化底蕴和某种文化特征，比如竹子在我国它具有有节、挺拔凌云的形态特征，笛子所表现出的声音不但曲律优美同时具有中国的文化情感特征。

例1.人造纤维

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。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些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。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法,此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,