仿生智能材料分析

判断
行动
智能结构的动作流程图 驱动元件
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
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。
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
功能材料
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
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。 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。
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。
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
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。


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。
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
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。
2. 智能材料的特征 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。
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。
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。
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
控制器
材料自身 能够探测 到外部环 境状态的 变化
传 感 器
智能机构
执 行 器
能够自动 地执行改 变材料状 态的指令
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。
(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）。
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。
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。
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。
Hale Waihona Puke Baidu
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。