仿生材料

仿生材料
仿生材料科技的新思维

多从自然界动植物中寻求灵感□ 从事以生物为材料主体的研究□ 再生利用, 源源不絕的概念□
美国新经济杂志「Business 2.0」预期， 「仿生」是未來人类开创更美好新世界的八大科技之一！
美国知名科学家 Stephen Wainwright更指出，仿生学將結合分子生 物学并取代分子生物技术，成为21世紀最具挑战与重要性的生物科 技！ 生物的骨骼构造比钢铁強硬； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 蜘蛛丝有五倍钢铁的硬度与延展性； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小時20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 蝙蝠的回音定位使用促進了雷达开发改进； 蓮花效应有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )和疏水性 (water repellent ) 自然生命世界蕴藏所有科技的奧秘与答案„„。
新思維

多從自然界動植物中尋求靈感□ 從事以生物為材料主体的研究□ 再生利用, 源源不絕的概念□
仿生结构陶瓷
陶瓷材料的脆性和增韧问题一直是研究的热 点之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问 题之一 。 近二十年来，人们相继提出了长纤维或晶须 增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多种强 韧化措施，也取得了很多积极的研究成果。但 是，这些强韧化措施的增韧效果还很有限，还 没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。
相形之下，在同樣具有疏
水性的光滑表陎
水珠只會以滑動的方式移
動
並不會夾帶灰塵離開 因此不具有自潔的能力。
A water droplet on the leaf of the Asiatic crop plant Colocasia esculenta absorbs particles of dirt as it rolls. In this picture taken by Barthlott's research team, we can also see the papillae on the cuticula. These papillae about 5 to 10 m high are themselves coated by a fine nanostructure of wax crystals.
但数千年來，人类卻靠剝削自然为基础而发明各种科技， 並开始卷入大自然反扑的漩渦。
仿生学是研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供 新的设计思想及工作原理的科学。
仿生学的研究主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、 信息与控制仿生等。 仿生学的范围很广，信息与控制仿生是主要领域。一方面 由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科 学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最 大的挑战。人工智能和智能机器人研究是仿生学研究的主攻 方面。 由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要 相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间地 密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。
Seven kinds of silk produced by Nephila clavipes
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Artificial Spider silk
Silk properties
Present Application

电子鼻 人工肌肉

昆虫的特异功能
电子鼻



以人工合成之 peptide作为預測蛋 白，作为传感器上的 接受器 目前应用于医学上， 准确度高达85% 可扩及应用于毒气侦 测、环境监测…
蓮花自淨作用的特性
在葉陎上倒幾滴膠
水， 膠水不會粘 連在葉陎上，而是 滾落下去並且不留 痕跡。 是一滴水珠與蓮花 的葉陎接觸，懸掛 在微小的蠟晶體上。
160° ~180°
最原始的纳米涂料

原始的土著常以燃燒植物或木材後所得 的碳灰，塗抹在臉上，藉以恐嚇敵人、 驅除猛獸、或獵取動物。碳灰的顆粒大 小，大約為奈米尺度，故能均勻塗抹， 且奈米碳灰附著力強，故能持久不褪色， 適合當染料。這算古人利用奈米科技謀 求生存的例子之一，比現今任何化妝品 公司的技術還早上千百年。
仿生——模仿生物的某些结构和功能来发明创造各种仪器设备， 这就是仿生。
长颈鹿
冷光
萤火虫
乌龟
一次可拍1329张的照相机
二元化武器
苍蝇
蝴蝶
雷达
宇航员的失重现象
甲虫
蝙蝠
薄壳建筑物
迷彩服
悉尼歌剧院
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Artificial Spider silk
Silk properties: different kinds & their functions

视觉功能 通訊功能 建筑功能 存活了3亿年的昆虫
back
視觉功能


复眼为许多单眼的结合， 可使焦距大幅縮短 应用复眼机制，可制造 出极薄的感知器
通讯功能


昆虫的触角可感知区区1 個分子，並找出数公里外 的气味源 模仿家蚕蛾的神经网络， 設計出「气味源探测器」
建筑功能



六角形組成的的蜂巢 结构，既轻又坚固 日本新干线车厢采用 「铝蜂巢结构」 此结构也用于机翼上
已震破吐空的孢子殘骸。
基因專家系統的 偵測盒，約只有 成人拇指大小。 槽內利用超音波 鎮擊受測物質， 使細胞破裂釋出 DNA。檢樣中若 有病原體，其 DNA數量就會在 击出的反應管中 放大而放出螢光。
人工肌肉



工研院「仿生材料技术 部」开发 微小电压使材料产生巨 大变形 将开发尿道人工括約肌
பைடு நூலகம்
昆虫的特异功能

高倍率電子顯微鏡下的觀察結果
蓮葉的表陎(cultiule)具 有大小約 5~15 m細微 突起的表皮細胞 (epidermal cell)， 表皮細胞上又覆蓋著一 層直徑約1nm的蠟質結晶 (wax crystal)。 蠟質結晶本身的化學結 構具有疏水性。



蠟質結晶＋細微結構蓮花效應

炭疽偵測器；迅速發覺炭疽， 即可救你一命（Rocco Casagrande)

美國麻省理工學院林肯實驗室正在研 發的「科奈里」（Canary），便是偵 測病原體表陎獨特分子的創新科技。 科奈里的偵測器由活細胞（也就是免 疫系統的B細胞）組成，這些細胞已 經過基因改造，會因細胞內鈣離子濃 度的改變而發光。而且細胞表陎有击 起的受體，只會結合特定病原體表陎 分子的獨特部位，所以當偵測器裡的 細胞接上目標物時，這個動作就會使 細胞內儲藏的鈣離子釋放出來，細胞 就發光了。科奈里會讓檢樣通過數個 充滿細胞的模組，因為每一個模組只 針對一種選定的微生物，所以可以分 辨出一種以上的病原體。

蓮花效應的證實




世人對蓮葉的這些特性並不陌生，但真正有系 統地研究與分析卻是最近幾年的事。 1997年，德國波昂大學的植物學家Wilhelm Barthlott針對這個特殊現象進行了一系列的實 驗， 發現了上述蓮花的疏水性與自我潔淨的關係， 因此創造了「蓮花效應」(Lotus effect)一詞， 同時也擁有這個商標的專利權。 從此以後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表 性的名詞。
因此，在“山包”間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在 緊貼葉陎上形成一層極薄，只有奈米級厚的空氣層。

這就使得在尺寸上遠大於這種結構的灰塵、雨水等降落在 葉陎上後，隔著一層極薄的空氣，只能同葉陎上“山包” 的击頂形成幾個點接觸。 雨點在自身的表陎張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸 附灰塵，並滾出葉陎，這就是"荷葉效應"能自潔葉陎的奧 妙所在。
除了蓮葉表面外，部份的植物與雁、鴨 等動物亦有類似的自清潔機制。雁鴨的羽毛 表面主要組成成份亦為油脂類，而羽毛的層 狀微結構中又藏有空氣，所以雁鴨即使在水 中也不會弄羽毛，不會造成其飛行時的阻力 ，在空中飛翔時更可藉此來降低與空氣間的 摩擦力，使飛行時更省力。蝴蝶翅膀的微小 構造皆有像蓮花般的粗糙結構，其粗糙度比 較均勻，經光照反射形成亮麗的顏色與奈米 粗糙度有相當的關聯性

因此加強了疏水性，
對葉陎的附著力
同時也降低污染顆粒
這種表面自清潔的特性不僅 存在於蓮花葉面上，在動物皮膚 或許多其他植物葉子中亦都得到 驗證，而開發仿造蓮葉具自清潔 功能的疏水塗料、塗裝技術製程 ，乃蔚為風潮。

植物葉子表陎之微結構─表陎較為平坦
蓮葉的微觀世界

植物葉子表陎之微結構─表陎較為粗糙
表面粗糙結構
表陎細微的奈米結構 在自潔功能上扮演著關鍵的角色
以蓮葉為例，水珠與葉陎接觸


的陎積大約只佔總陎積的2～3%， 若將葉陎傾斜，則水珠被迫以 滾動方式運動。 滾動時，會順便吸附起葉陎上 的污泥顆粒，一同滾出葉陎
達到清潔的效果。
表陎細微的奈米結構 在自潔功能上扮演著關鍵的角色
蓮葉的微觀世界
蓮葉的微觀世界

蓮花效應
疏水自清潔性

由於蓮葉表面的微結構「粗糙層」能夠 將空氣保留在突起物間的底部，使外在 的污物或液體無法完全沾附於蓮葉上； 被侷限在這奈米粗糙層中的空氣，其情 形猶如在蓮葉表面形成一層氣墊(Air Cushion)，污物或液體是由空氣所支撐 著；另外，盤交錯結的纖毛狀「臘質」， 其結構亦有助於減少外來物與葉面間的 接觸面積
Prof. Dr. Wilhelm Barthlott
荷葉葉片上的 多重奈米和微米級的超微結構
在超高解析度電子顯微鏡 下可以清晰看到： 在荷葉葉陎上佈滿著一 個挨一個隆起的“小山 包” 在山包上陎長滿絨毛 在“山包”頂則又長出 一個個饅頭狀的 “碉堡”击頂。
荷葉葉片上的 多重奈米和微米級的超微結構
仿竹木结构的纤维独石结构陶瓷材料
a
b
c
仿贝壳结构的层状结构陶瓷
蓮花效應??

在大自然裡，我們注意到植物葉面常可 保持潔淨而不被沾污，這種特性經多年 來的探討發現，與葉面上具有奈米 (100~200nm)規則排列的粗糙結構表面 和最外層蠟質低表面能疏水材料有關， 奈米粗糙面是保護葉面不被污染的首要 因素，即使被污染物附著於其上，也可 輕易地以水沖刷帶走洗掉，達到自清潔 效果(Self-Cleaning Effect)，此即所謂的 「蓮花效應」(Lotus Effect)。

再加上葉片表陎的細 微結構之助， 使水與葉陎的接觸陎 積更小而接觸角變大，

因此加強了疏水性， 對葉陎的附著力。
同時也降低污染顆粒
蠟質結晶＋細微結構蓮花效應
蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性
所以當水與這類表陎接觸時，會因表陎張力而形
成水珠，
再加上葉片表陎的細微結構之助， 使水與葉陎的接觸陎積更小而接觸角變大，
為什麼會有這種“蓮花效應”？
用傳統的化學分子極性理論來解釋，不僅解釋 不通，恰恰是相反。 從機械學的粗糙度、光潔度角度來解釋也不行， 因為它的表陎光潔度根本達不到機械學意義上 的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它 的粗糙程度。 經過兩位德國科學家的長期觀察研究，即在 1990年代初終於揭開了荷葉葉陎的奧妙。 原來在荷葉葉陎上存在著非常複雜的多重奈米 和微米級的超微結構。
近些年来，人们从天然生物的研究中得到启示， 天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它 们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的精 细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合性 能。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。 陶瓷材料的仿生结构设计，从很大程度上改 善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化 提供了一条崭新的研究和设计思路。
存活了3億年的昆虫-蟑螂



从感知風速到逃跑只需 0.044秒，人类需要0.3秒 尾肢可對秒數2公分的風做 出反应 可做微流速感知器
Problems


尚不能大量制造(e.g. 蜘蛛絲..) 敏感度尚达不到生物感知器 (e.g.家蚕蛾触角…) 有些生物机制尚未能詳細了解 (e.g.光合作用)
許多植物表面，如蓮葉面具有 超疏水(superhydrophobicity)及 自潔(self-cleaning)的特性。 蓮葉表面的疏水、不吸水的表面 始終葉面永遠保持一塵不染。
蓮花效應
因蓮葉具有疏水、不吸水的表面 落在葉面上的雨水會因表面張力 的作用形成水珠，即水與葉面的 接觸角(contact angle)會大於140 度，因此，只要葉面稍微傾斜， 水珠就會滾離葉面。即使經過一 場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能 保持乾燥；此外，滾動的水珠會 順便把一些灰塵污泥的顆粒一起 帶走，達到自我潔淨的效果，這 就是蓮花總是能一塵不 染。