仿生学
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
仿生学
——先进制造技术
仿生学概述
（一）背景
自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理 及重大发明的源泉。
随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年 代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要 途径之一，生物学家和工程师们积极合作，开始将从生 物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。 生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列， 而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成 功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透 孕育出一门新生的科学——仿生学。
荷叶效应的应用
模仿莲叶自洁的功能，可以应用于表面纳米结构的技 术，可开发出自洁、抗污的纳米涂料。不会脏的地板、墙 壁、没有灰尘阻挠的无线电用品以及不会被冰雪冻结的电 缆，将会不断的出现，人类的生活也会更加进步。
仿生机器壁虎
2008年11月15日我国 研制成功仿生机器人壁虎 “神行者”。
这种机器人壁虎，能在 墙面、地下和墙缝中垂直 上下迅速攀爬，或者在天 花板下倒挂行走,对光滑的 玻璃、粗糙或者粘有粉尘 的墙面以及各种金属材料 表面都能够适应，能够自 动辨识障碍物并规避绕行 ，动作灵活逼真。
（二）仿生学的概念
1、仿生学思想
生物经过亿万年的进化，其结构和功能 不仅适应了自然，而且其程度接近完善，有 些远远超过人们想象，人们试图模仿动物和 植物的结构、形态、功能和行为或者从中得 到启发来解决所面临的技术问题，这就是仿 生学的思想。
2、仿生学定义
1960年9月于美国召开的第一次仿生学讨论会上， 有J.Steele正式提出仿生学（Bionics），它被定义为： 仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者是 人造技术系统具有类似于生物系统特征的科学。
荷叶效应
“予独爱莲之出淤泥而 不染，濯清涟而不妖 ”
—周敦颐«爱莲说»
荷叶自清洁性
表现为： ①表面具有超疏水性，与水的接触角大于150（当
接触角为0度时，完全润湿；当接触角为180度时 ，完全不能润湿。）； ②很强的抗污染能力，即表面污染物（如灰尘等） 可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹。
为什么会有这种“荷叶效应”
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
叶绿素
荷叶的成分
纤维素
淀粉等多糖类的碳水化合物
富含羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，很容易吸附水分或污渍。 用化学分子极性理论，不仅解释不通，恰恰是相反。
从机械学角度来也解释不通，因为它手触摸就可感觉到它的粗糙程度。
荷叶的微观结构
荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超 微结构。SEM下可以看到，叶面上有许多微小的乳突，如 图所示。乳突大小约为10微米，平均间距约12微米。而每 个乳突有许多直径200纳米左右的突起组成的。
在每个吸力手上，都有数百万根由人造刚毛（橡胶制 造的毛发），每根细毛的直径大约只有500个纳米左右， 比人类的毛发还细很多，每根这种毛发的长度则只有不 到2微米，这使得“壁虎”的吸力手能非常的接近墙壁的 表面，这样的结构还能够使得人造橡胶毛发中的分子和 墙壁分子的距离异常接近。此时，两者的分子们之间会 产生一种奇异的自然现象，分子弱电磁引力，也叫“范 德瓦尔斯力”。每一对这种力大约可以帮助毛发产生抓 起一只蚂蚁的力量。
在每根毛发的末梢，还有上千根更加细小的毛发分枝， 每根毛发分枝的前端又有一个分叉。无数的这种“范德 瓦尔斯力”集合起来，机器壁虎也就自然能在墙壁上行 走了。
自然界壁虎“飞檐走壁”的启发
研究发现，壁虎的脚趾上生长着 数以百万计的细小绒毛──刚毛。脚趾 上的刚毛可以与基底形成成千上万个 接触点，壁虎脚与基底之间存在“范 德华力”。
据计算，一根刚毛能够承受相当于 一只蚂蚁的重量，100万根排列在一 起还不到一枚硬币的大小，就可承受 200N的力！
机器壁虎的原理
在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山
包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一 个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间 的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形 成一层纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远 大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后， 隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的 凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作 用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出 叶面，这就是荷叶能自清洁的奥妙所在。
仿生学是一门交叉学科，涉及生命科学、物质科学、 信息科学、闹与认知科学、工程技术、数学与力学以及 系统科学等学科。
仿生学的研究方向与方法
① 带着在目标工程材料中遇到的疑难问题、选择合适的 天然材料作为研究和模仿的对象去寻找答案； ② 研究天然生物材料的成分与结构、组织的形成机制、 结构和过程的相互关系、材料的性能和生物功能等； ③ 从生物材料研究中受到启发，获得新概念，抽象出模 型，进行实验验证和优化，设计新型合成材料； ④ 模仿天然生物材料的组成、结构、形成机制和性能， 进行人工材料的防止制备与开发； ⑤ 探讨仿生工程材料在工程领域中的应用。
——先进制造技术
仿生学概述
（一）背景
自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理 及重大发明的源泉。
随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年 代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要 途径之一，生物学家和工程师们积极合作，开始将从生 物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。 生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列， 而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成 功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透 孕育出一门新生的科学——仿生学。
荷叶效应的应用
模仿莲叶自洁的功能，可以应用于表面纳米结构的技 术，可开发出自洁、抗污的纳米涂料。不会脏的地板、墙 壁、没有灰尘阻挠的无线电用品以及不会被冰雪冻结的电 缆，将会不断的出现，人类的生活也会更加进步。
仿生机器壁虎
2008年11月15日我国 研制成功仿生机器人壁虎 “神行者”。
这种机器人壁虎，能在 墙面、地下和墙缝中垂直 上下迅速攀爬，或者在天 花板下倒挂行走,对光滑的 玻璃、粗糙或者粘有粉尘 的墙面以及各种金属材料 表面都能够适应，能够自 动辨识障碍物并规避绕行 ，动作灵活逼真。
（二）仿生学的概念
1、仿生学思想
生物经过亿万年的进化，其结构和功能 不仅适应了自然，而且其程度接近完善，有 些远远超过人们想象，人们试图模仿动物和 植物的结构、形态、功能和行为或者从中得 到启发来解决所面临的技术问题，这就是仿 生学的思想。
2、仿生学定义
1960年9月于美国召开的第一次仿生学讨论会上， 有J.Steele正式提出仿生学（Bionics），它被定义为： 仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者是 人造技术系统具有类似于生物系统特征的科学。
荷叶效应
“予独爱莲之出淤泥而 不染，濯清涟而不妖 ”
—周敦颐«爱莲说»
荷叶自清洁性
表现为： ①表面具有超疏水性，与水的接触角大于150（当
接触角为0度时，完全润湿；当接触角为180度时 ，完全不能润湿。）； ②很强的抗污染能力，即表面污染物（如灰尘等） 可以被滚落的水滴带走而不留下任何痕迹。
为什么会有这种“荷叶效应”
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
叶绿素
荷叶的成分
纤维素
淀粉等多糖类的碳水化合物
富含羟基（-OH）、（-NH）等极性基团，很容易吸附水分或污渍。 用化学分子极性理论，不仅解释不通，恰恰是相反。
从机械学角度来也解释不通，因为它手触摸就可感觉到它的粗糙程度。
荷叶的微观结构
荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超 微结构。SEM下可以看到，叶面上有许多微小的乳突，如 图所示。乳突大小约为10微米，平均间距约12微米。而每 个乳突有许多直径200纳米左右的突起组成的。
在每个吸力手上，都有数百万根由人造刚毛（橡胶制 造的毛发），每根细毛的直径大约只有500个纳米左右， 比人类的毛发还细很多，每根这种毛发的长度则只有不 到2微米，这使得“壁虎”的吸力手能非常的接近墙壁的 表面，这样的结构还能够使得人造橡胶毛发中的分子和 墙壁分子的距离异常接近。此时，两者的分子们之间会 产生一种奇异的自然现象，分子弱电磁引力，也叫“范 德瓦尔斯力”。每一对这种力大约可以帮助毛发产生抓 起一只蚂蚁的力量。
在每根毛发的末梢，还有上千根更加细小的毛发分枝， 每根毛发分枝的前端又有一个分叉。无数的这种“范德 瓦尔斯力”集合起来，机器壁虎也就自然能在墙壁上行 走了。
自然界壁虎“飞檐走壁”的启发
研究发现，壁虎的脚趾上生长着 数以百万计的细小绒毛──刚毛。脚趾 上的刚毛可以与基底形成成千上万个 接触点，壁虎脚与基底之间存在“范 德华力”。
据计算，一根刚毛能够承受相当于 一只蚂蚁的重量，100万根排列在一 起还不到一枚硬币的大小，就可承受 200N的力！
机器壁虎的原理
在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山
包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一 个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间 的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形 成一层纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远 大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后， 隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的 凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作 用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出 叶面，这就是荷叶能自清洁的奥妙所在。
仿生学是一门交叉学科，涉及生命科学、物质科学、 信息科学、闹与认知科学、工程技术、数学与力学以及 系统科学等学科。
仿生学的研究方向与方法
① 带着在目标工程材料中遇到的疑难问题、选择合适的 天然材料作为研究和模仿的对象去寻找答案； ② 研究天然生物材料的成分与结构、组织的形成机制、 结构和过程的相互关系、材料的性能和生物功能等； ③ 从生物材料研究中受到启发，获得新概念，抽象出模 型，进行实验验证和优化，设计新型合成材料； ④ 模仿天然生物材料的组成、结构、形成机制和性能， 进行人工材料的防止制备与开发； ⑤ 探讨仿生工程材料在工程领域中的应用。