生物材料学-第9章 仿生材料
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21
➢西瓜纤维素的结构与仿生
植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常 见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发 下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸 水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的， 能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分， 现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材 料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和 输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将 来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用 一片薄膜就可。
Biomimicry (模仿生物)
2
研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及 相互作用，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技术科学.
“ 学习自然界的现象作为技术创新的模式” 的 基本概念.
1960年，在美国俄亥俄州召开第一届仿生讨论 会，收到28篇论文。美国学者J.E.斯梯尔提出 “bionics” 一词，他将其定义为：仿生学是研 究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特 征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统 科学
乳突直径为2.89±0.32um，距离9.61±2.92um， 纳米管平均直径为30~60nm，
静态接触角约为1600，滚动角约30。
20
➢蜘蛛丝的结构与仿生
最早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。蚕或者蜘蛛吐出的 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。
模仿的形态包括：体表形态结构、 翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的 形状、昆虫巢穴形态及结构等。
6
仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施
7
蝴蝶翅膀鳞片仿生
然置功度阳 模 变不实而光 仿 化断现调照 蝴 的变对节射 蝶 控化人体方 翅 制而造温向 面 。引卫的自 上
起星原动的 温由理变鳞 度于，换片 骤位成角随
3
仿生学：生命科学、物质科学、信息科 学、工程技术、数学与力学、系统科 学等多学科的交叉.
仿生学可应用于所有技术领域和大多数 应用领域.
生活中的仿生学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟
轮子 船橹 透镜 电池 飞机
4
昆虫是地球上分布 最广的动物
天地地水 上上下中 飞爬钻游
5
昆虫形态的仿生
模仿昆虫外部形态及其特征，构建 实用的技术系统或制造产品。
第九章 仿生材料
1
仿生学 ?
从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词：
Bionics (仿生) Biomimetics (仿生)
Bionics取自拉丁文“bios” (生命方式)和词尾“nic”(具 有……性质的).
Biomimesis (生物拟态)
Biognosis (生命论/生物论)
bio-inspiration (生物灵感)
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9.1 生物材料的特征
1、复合特征
地球上的生物材料几乎都是复合材料， 其优良比能靠其组分的复合来保证。而 且生存下来的生物大多数都符合环境的 要求，并成功地达到了优化水平。如骨 骼是由羟基磷灰石和骨纤维构成的复合 材料，不仅强度高，而且韧性好，对该 特征的研究将推动对材料的微观和宏观 优化设计。
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），商品名为稀苤的高吸湿性纤维（旭化成）等等。 这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与 内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体和蜘蛛丝 进行了卓有成效的研究，研究者们期待有朝一日能够制造 出与蚕丝完全一样的人造丝。
人类研究仿生决不是简单的模仿，而是学习自然界生 物精妙结构后的再度升华。
仿生材料学自诞生以来即获得了迅速的发展，特别是 美日等发达国家近年来更是投入了大量的资金和人力 抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进 步.例如，在天然生物的层状结构特征及其仿生材料 和非层状结构特征及其仿生材料的研制方面，以及动 物的皮毛状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范 例。
1992年，美国的秋季材料研讨会增加 了“受生物系统启发的材料研究” （Materials Research Inspired by Biological Systems）这一分会，标志着 仿生材料受到广泛的关注
。
17
仿生材料学
仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是指从分子水 平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发 出类似或优于原生物材料的一门新兴科学，是化学、 材料学、生物学、物理学等学科的交叉。
23
2、功能适应性
生物材料不论从形态学还是从力学的观 点看，都是极其复杂的。这种复杂性是 长期自然选择的结果，是由功能适应性 决定的。
18
疏水——自然界的 启发
水滴在荷叶，鹅毛等 表面随意地滚动。
1999年，Barthlott 和Neihuis认为：自 清洁的特征是由于 粗糙表面上的微米 结构的乳突以及表 面蜡状的存在共 同引起的；
乳突的平均直径为 5~9um
19
碳纳米管法(江雷等): 纳米结构与微米结构结合产生低滚动角
12
一种非洲白蚁巢穴及内部结构
The interior of a typical mound of the South African termitid Amitermes hastatus
13
感觉器官与仿生
14
触角及其上的传感器
15
一些蜂类具有敏锐的听觉
16
自然界中存在的天然生物材料有着人工材 料无法比拟的优越功能。材料学家做不出 具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋 中坚固又耐蚀的贝壳等。生物都是由简单 而且廉价的无机和有机材料通过自组装而 形成，但具有精巧的结构。
8
筑 巢
9
日本的蜂巢式旅馆 10
11
吉林大学生物与农业工程学院
体表微结构与仿生－防伪技术
某些种类的蝴蝶（如：大凤蝶）的翅 膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发 光的绿色。原因乃是布满蝴蝶翅膀上的微 型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底 反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区 分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何 仿照蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪 技术（如防伪纸币或信用卡）已成为仿生 学家的课题。
➢西瓜纤维素的结构与仿生
植物为我们提供了很多有趣的现象，例如我们常 见的西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发 下，人们研制了一种西瓜纤维素构造相似的超吸 水性树脂，它是用特殊设计的高分子材料制造的， 能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水分， 现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材 料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和 输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将 来的饮料就不再用现在的杯子来装，而是只要用 一片薄膜就可。
Biomimicry (模仿生物)
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研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及 相互作用，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技术科学.
“ 学习自然界的现象作为技术创新的模式” 的 基本概念.
1960年，在美国俄亥俄州召开第一届仿生讨论 会，收到28篇论文。美国学者J.E.斯梯尔提出 “bionics” 一词，他将其定义为：仿生学是研 究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特 征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统 科学
乳突直径为2.89±0.32um，距离9.61±2.92um， 纳米管平均直径为30~60nm，
静态接触角约为1600，滚动角约30。
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➢蜘蛛丝的结构与仿生
最早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。蚕或者蜘蛛吐出的 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。
模仿的形态包括：体表形态结构、 翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的 形状、昆虫巢穴形态及结构等。
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仿蝴蝶色彩花纹形态构建军事伪装设施
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蝴蝶翅膀鳞片仿生
然置功度阳 模 变不实而光 仿 化断现调照 蝴 的变对节射 蝶 控化人体方 翅 制而造温向 面 。引卫的自 上
起星原动的 温由理变鳞 度于，换片 骤位成角随
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仿生学：生命科学、物质科学、信息科 学、工程技术、数学与力学、系统科 学等多学科的交叉.
仿生学可应用于所有技术领域和大多数 应用领域.
生活中的仿生学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟
轮子 船橹 透镜 电池 飞机
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昆虫是地球上分布 最广的动物
天地地水 上上下中 飞爬钻游
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昆虫形态的仿生
模仿昆虫外部形态及其特征，构建 实用的技术系统或制造产品。
第九章 仿生材料
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仿生学 ?
从自然到技术的思想或概念，对应的英文单词：
Bionics (仿生) Biomimetics (仿生)
Bionics取自拉丁文“bios” (生命方式)和词尾“nic”(具 有……性质的).
Biomimesis (生物拟态)
Biognosis (生命论/生物论)
bio-inspiration (生物灵感)
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9.1 生物材料的特征
1、复合特征
地球上的生物材料几乎都是复合材料， 其优良比能靠其组分的复合来保证。而 且生存下来的生物大多数都符合环境的 要求，并成功地达到了优化水平。如骨 骼是由羟基磷灰石和骨纤维构成的复合 材料，不仅强度高，而且韧性好，对该 特征的研究将推动对材料的微观和宏观 优化设计。
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），商品名为稀苤的高吸湿性纤维（旭化成）等等。 这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与 内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体和蜘蛛丝 进行了卓有成效的研究，研究者们期待有朝一日能够制造 出与蚕丝完全一样的人造丝。
人类研究仿生决不是简单的模仿，而是学习自然界生 物精妙结构后的再度升华。
仿生材料学自诞生以来即获得了迅速的发展，特别是 美日等发达国家近年来更是投入了大量的资金和人力 抢先开展多方面的研究和产品开发，获得了惊人的进 步.例如，在天然生物的层状结构特征及其仿生材料 和非层状结构特征及其仿生材料的研制方面，以及动 物的皮毛状结构及其仿生设计方面都有许多成功的范 例。
1992年，美国的秋季材料研讨会增加 了“受生物系统启发的材料研究” （Materials Research Inspired by Biological Systems）这一分会，标志着 仿生材料受到广泛的关注
。
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仿生材料学
仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是指从分子水 平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发 出类似或优于原生物材料的一门新兴科学，是化学、 材料学、生物学、物理学等学科的交叉。
23
2、功能适应性
生物材料不论从形态学还是从力学的观 点看，都是极其复杂的。这种复杂性是 长期自然选择的结果，是由功能适应性 决定的。
18
疏水——自然界的 启发
水滴在荷叶，鹅毛等 表面随意地滚动。
1999年，Barthlott 和Neihuis认为：自 清洁的特征是由于 粗糙表面上的微米 结构的乳突以及表 面蜡状的存在共 同引起的；
乳突的平均直径为 5~9um
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碳纳米管法(江雷等): 纳米结构与微米结构结合产生低滚动角
12
一种非洲白蚁巢穴及内部结构
The interior of a typical mound of the South African termitid Amitermes hastatus
13
感觉器官与仿生
14
触角及其上的传感器
15
一些蜂类具有敏锐的听觉
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自然界中存在的天然生物材料有着人工材 料无法比拟的优越功能。材料学家做不出 具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋 中坚固又耐蚀的贝壳等。生物都是由简单 而且廉价的无机和有机材料通过自组装而 形成，但具有精巧的结构。
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筑 巢
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日本的蜂巢式旅馆 10
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吉林大学生物与农业工程学院
体表微结构与仿生－防伪技术
某些种类的蝴蝶（如：大凤蝶）的翅 膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发 光的绿色。原因乃是布满蝴蝶翅膀上的微 型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底 反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区 分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何 仿照蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪 技术（如防伪纸币或信用卡）已成为仿生 学家的课题。