智能高分子材料與仿生化

1、第六章第六章l 緒論緒論l 智能仿生材料智能仿生材料l 天然天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生生物材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生l 生物體生物體的表面性能及其的表面性能及其仿生納米仿生納米 界面材料界面材料主要內(nèi)容主要內(nèi)容長頸鹿長頸鹿螢火蟲螢火蟲烏龜烏龜蒼蠅蒼蠅蝴蝶蝴蝶甲蟲甲蟲蝙蝠蝙蝠冷光冷光一次可拍一次可拍13291329張的照相機張的照相機二元化武器二元化武器雷達雷達宇航員的失重現(xiàn)象宇航員的失重現(xiàn)象薄殼建筑物薄殼建筑物迷彩服迷彩服仿生仿生模仿生物的某些結(jié)構(gòu)和功能來發(fā)明創(chuàng)造各種模仿生物的某些結(jié)構(gòu)和功能來發(fā)明創(chuàng)造各種儀器設(shè)備，這就是仿生儀器設(shè)備，這就是仿生。6.1 6.1 仿生學(xué)概述仿生學(xué)概述仿生學(xué)仿生學(xué)(

2、(BionicsBionics) )：模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、 原理、行為以及相互作用，原理、行為以及相互作用，建造技術(shù)系統(tǒng)，或者建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)，簡而言之，仿生學(xué)就是科學(xué)，簡而言之，仿生學(xué)就是“模仿生物的科模仿生物的科學(xué)學(xué)”。仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的一門數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的一門邊緣科學(xué)。邊緣科學(xué)。長頸鹿的血液循環(huán)系長頸鹿的血液循環(huán)系統(tǒng)為人類的載人航天統(tǒng)為人類的載

3、人航天事業(yè)起到了至關(guān)重要事業(yè)起到了至關(guān)重要的作用的作用水母水母的順風(fēng)耳，仿照水的順風(fēng)耳，仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計了水母耳風(fēng)暴預(yù)測設(shè)計了水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀，能提前儀，能提前1515小時對風(fēng)小時對風(fēng)暴作出預(yù)報，對航海和暴作出預(yù)報，對航海和漁業(yè)的安全都有重要意漁業(yè)的安全都有重要意義。義。 寶馬寶馬H2RH2R氫燃料汽車外型和設(shè)計氫燃料汽車外型和設(shè)計的靈感來自的靈感來自海豚、企鵝海豚、企鵝的低阻的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其部，極小的正鋒面，成就了其0.210.21的阻力系數(shù)。同樣，尺寸的阻力系數(shù)。同樣，尺寸龐大的寶馬龐大的

4、寶馬7 7系得益于其流線造系得益于其流線造型，阻力系數(shù)也僅為型，阻力系數(shù)也僅為0.290.29。 美國研發(fā)出一款舉世無美國研發(fā)出一款舉世無雙的雙的“海豚潛艇海豚潛艇”，它，它不僅在外形上酷似海豚，不僅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一樣時而而且能像海豚一樣時而潛入水中，時而躍出水潛入水中，時而躍出水面做出驚險刺激的翻騰面做出驚險刺激的翻騰動作。動作。仿生材料仿生材料（Bio-inspired）： 受受生物啟發(fā)或者模擬生物的各種特性而開發(fā)生物啟發(fā)或者模擬生物的各種特性而開發(fā)的材料。的材料。 材料材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和的仿生包括模仿天然生物材料的成分和結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)特征的成分、結(jié)構(gòu)仿

5、生成分、結(jié)構(gòu)仿生、模仿生物體中形、模仿生物體中形成材料的成材料的過程和加工制備仿生過程和加工制備仿生、模仿生物體系、模仿生物體系統(tǒng)功能的統(tǒng)功能的功能仿生功能仿生。6.2 6.2 智能仿生材料智能仿生材料 從從仿生學(xué)的觀點出發(fā)仿生學(xué)的觀點出發(fā)，仿生智能材料，仿生智能材料應(yīng)具有或應(yīng)具有或部分具有下列生物功能：部分具有下列生物功能：(1)(1)有反饋功能，能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)的輸入和輸出有反饋功能，能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)的輸入和輸出信息進行比較，并將解結(jié)果提供給控制系統(tǒng)；信息進行比較，并將解結(jié)果提供給控制系統(tǒng)；(2)(2)有信息積累和識別功能，能積累信息，能識別和區(qū)分傳感有信息積累和識別功

6、能，能積累信息，能識別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進行分析和解釋；網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進行分析和解釋；(3)(3)有學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能，能通過對過去經(jīng)驗的收集，對有學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能，能通過對過去經(jīng)驗的收集，對外部刺激作出適當反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當?shù)男袆?；外部刺激作出適當反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當?shù)男袆樱? (5)5)有自修復(fù)功能，能通過自生長或原位復(fù)合等再生機制，有自修復(fù)功能，能通過自生長或原位復(fù)合等再生機制，來修補某些局部破損來修補某些局部破損；( (7)7)有自動動態(tài)平衡及自適應(yīng)功能，能根據(jù)動態(tài)的外部環(huán)境有自動動態(tài)平衡及自適應(yīng)功能，能根據(jù)動態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動調(diào)整自

7、身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，條件不斷自動調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，以一種優(yōu)化的方式對環(huán)境作出響應(yīng)以一種優(yōu)化的方式對環(huán)境作出響應(yīng)。(6)(6)有自診斷功能，能對現(xiàn)在和過去的情況作比較，從而能有自診斷功能，能對現(xiàn)在和過去的情況作比較，從而能對諸如故障及判斷失誤等問題進行自診斷和校正；對諸如故障及判斷失誤等問題進行自診斷和校正；(4)(4)有響應(yīng)性功能，能根據(jù)環(huán)境變化適時地動態(tài)調(diào)節(jié)自身有響應(yīng)性功能，能根據(jù)環(huán)境變化適時地動態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出響應(yīng)；并作出響應(yīng)；例：例：昆蟲昆蟲復(fù)眼感光膜的視覺復(fù)眼感光膜的視覺神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu)神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu)（由緊密排列的柱狀的（由緊密排列的柱狀的

8、微絨毛構(gòu)成，絨毛的長微絨毛構(gòu)成，絨毛的長度約度約1-2um、直徑約、直徑約60nm)；應(yīng)用復(fù)眼機制，可制造應(yīng)用復(fù)眼機制，可制造出極薄的感知器。出極薄的感知器。生命體中特殊機能的智能化大生命體中特殊機能的智能化大多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。存活了存活了3 3億年的昆蟲億年的昆蟲- -蟑螂蟑螂從感知風(fēng)速到逃跑只需從感知風(fēng)速到逃跑只需0.0440.044秒，人類需要秒，人類需要0.30.3秒秒尾肢可對秒數(shù)尾肢可對秒數(shù)2 2公分的風(fēng)做公分的風(fēng)做出反應(yīng)出反應(yīng)可做微流速感知器可做微流速感知器昆蟲的觸角可感知昆蟲的觸角可感知區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)1個分子，并找個分子，并找出數(shù)公里外的氣味出數(shù)公里外的氣

9、味源源模仿家蠶蛾的神經(jīng)模仿家蠶蛾的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計出氣網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計出氣味源探測器味源探測器六角形組成的的六角形組成的的蜂巢結(jié)構(gòu)，既輕蜂巢結(jié)構(gòu)，既輕又堅固又堅固日本新干線車廂日本新干線車廂采用鋁蜂巢結(jié)采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)構(gòu)此結(jié)構(gòu)也用于機此結(jié)構(gòu)也用于機翼上翼上鯊魚皮膚表面具有排列有序的微小鱗狀鯊魚皮膚表面具有排列有序的微小鱗狀突起，這些突突起，這些突起在水中具有整流效果，可以減少水的阻力，從而使起在水中具有整流效果，可以減少水的阻力，從而使鯊魚在水中能夠快速前進。鯊魚在水中能夠快速前進。 能量重組能量重組：人們?nèi)藗儗ξ灮鹣x的對螢火蟲的發(fā)光機制作了研究發(fā)光機制作了研究, ,其發(fā)光原其發(fā)光原因是由于化學(xué)能高效率

10、地轉(zhuǎn)化因是由于化學(xué)能高效率地轉(zhuǎn)化為光能。雖然人類在化學(xué)領(lǐng)域為光能。雖然人類在化學(xué)領(lǐng)域中已體驗了遺傳信息的鑰匙中已體驗了遺傳信息的鑰匙- - 核酸的魅力核酸的魅力, ,在試管中實現(xiàn)其在試管中實現(xiàn)其功能的研究也取得了很大的進功能的研究也取得了很大的進步步, ,但是像螢火蟲的這種能量但是像螢火蟲的這種能量變換方法目前人類還做不到。變換方法目前人類還做不到。隨著地球上現(xiàn)在所使用的能源隨著地球上現(xiàn)在所使用的能源逐漸枯竭逐漸枯竭, ,人類尋求新能源的人類尋求新能源的任務(wù)已迫在眉睫任務(wù)已迫在眉睫, ,如果能夠找如果能夠找到象某些生物那樣能夠高效率到象某些生物那樣能夠高效率地進行能量變換或者能量重組地進行能量

11、變換或者能量重組的材料與方法的材料與方法, ,將為人類的未將為人類的未來帶來希望和光明。來帶來希望和光明。 螢火蟲的發(fā)光，簡單來說，是熒螢火蟲的發(fā)光，簡單來說，是熒光素光素（在藍光或紫外線照射下，發(fā)出綠在藍光或紫外線照射下，發(fā)出綠色熒光的一種黃色染料色熒光的一種黃色染料 ）在催化下發(fā)在催化下發(fā)生的一連串復(fù)雜生化反應(yīng)；而光生的一連串復(fù)雜生化反應(yīng)；而光即是這個過程中所釋放的能量。即是這個過程中所釋放的能量。 超能吸水超能吸水：我們我們常見的西瓜是常見的西瓜是一種一種含水量極高含水量極高的水果的水果, ,在它在它的啟發(fā)下的啟發(fā)下, ,人們研制了一種與人們研制了一種與西瓜纖維素構(gòu)造相似的超吸水西瓜纖維

12、素構(gòu)造相似的超吸水性樹脂性樹脂, ,它是用特殊設(shè)計的高它是用特殊設(shè)計的高分子材料制造的分子材料制造的, ,能夠吸收超能夠吸收超越越自身重量數(shù)百倍到數(shù)千倍的自身重量數(shù)百倍到數(shù)千倍的水份水份, ,現(xiàn)在已用于廢油的回收現(xiàn)在已用于廢油的回收, ,既經(jīng)濟又高效。這種材料如果既經(jīng)濟又高效。這種材料如果進一步得到完善的話進一步得到完善的話, ,將來液將來液體體的包裝和輸送就可能用一種的包裝和輸送就可能用一種全新的技術(shù)來代替。比如全新的技術(shù)來代替。比如, ,將將來的飲料就不再是用現(xiàn)在的杯來的飲料就不再是用現(xiàn)在的杯子來裝子來裝, ,而是只要用一片薄膜而是只要用一片薄膜即可即可 。又叫水瓜，寒瓜又叫水瓜，寒瓜,

13、,夏瓜，因在漢代從西夏瓜，因在漢代從西域引入，故稱域引入，故稱“西瓜西瓜”。西瓜味道甘甜。西瓜味道甘甜多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能祛暑熱煩渴，因此有祛暑熱煩渴，因此有“天然的白虎湯天然的白虎湯”之稱。西瓜除不含脂肪和膽固醇外，幾之稱。西瓜除不含脂肪和膽固醇外，幾乎含有人體所需的各種營養(yǎng)成分，是一乎含有人體所需的各種營養(yǎng)成分，是一種富有營養(yǎng)種富有營養(yǎng), ,純凈，食用安全的食品。純凈，食用安全的食品。 仿生空心結(jié)構(gòu)材料：仿生空心結(jié)構(gòu)材料：自然界自然界中很多生物都是采用中很多生物都是采用多通道多通道的超細管狀結(jié)構(gòu)，的超細管狀結(jié)構(gòu)，例如許多例如許多植物的莖都是中

14、空的多通道植物的莖都是中空的多通道微米管，使其在保證足夠強微米管，使其在保證足夠強度的前提下可以有效節(jié)約原度的前提下可以有效節(jié)約原料及輸運水分和養(yǎng)料，為減料及輸運水分和養(yǎng)料，為減輕重量以及保溫，鳥類的羽輕重量以及保溫，鳥類的羽毛也具有多通道管狀結(jié)構(gòu)，毛也具有多通道管狀結(jié)構(gòu)，許多極低動物的皮毛具有多許多極低動物的皮毛具有多通道或者多空腔的微通道或者多空腔的微/ /納米管納米管狀結(jié)構(gòu)，具有卓越的隔熱性狀結(jié)構(gòu)，具有卓越的隔熱性能。能。蜘蛛絲結(jié)構(gòu)：蜘蛛絲結(jié)構(gòu)：直徑約為幾個直徑約為幾個微米（人發(fā)約為微米（人發(fā)約為100100微米），微米），是由一些原纖的纖維束組成，是由一些原纖的纖維束組成，原纖是幾個厚

15、度為納米級的原纖是幾個厚度為納米級的微原纖的集合體，微原纖是微原纖的集合體，微原纖是由蜘蛛絲蛋白構(gòu)成的高分子由蜘蛛絲蛋白構(gòu)成的高分子化合物化合物。仿生仿生強韌纖維材料：強韌纖維材料：蜘蛛絲蜘蛛絲經(jīng)過四億年的進化，實現(xiàn)了經(jīng)過四億年的進化，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，是世界結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，是世界上最強韌的材料之一，天然上最強韌的材料之一，天然蜘蛛絲其抗拉強度超過了人蜘蛛絲其抗拉強度超過了人類自制的鋼和凱夫拉類自制的鋼和凱夫拉（根據(jù)（根據(jù)科學(xué)家計算，一束鉛筆粗細科學(xué)家計算，一束鉛筆粗細的蜘蛛絲可以使一架正在飛的蜘蛛絲可以使一架正在飛行中的波音行中的波音747747飛機停下來。飛機停下來。 6.36.3

16、 天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生一、貝殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)一、貝殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)與仿生與仿生貝殼貝殼的成分的成分主要是碳酸鈣主要是碳酸鈣和和少量的少量的殼基質(zhì)殼基質(zhì)構(gòu)成，這些物質(zhì)是由外套膜構(gòu)成，這些物質(zhì)是由外套膜上皮細胞分泌形成的。上皮細胞分泌形成的。貝殼的結(jié)構(gòu)一般可分為貝殼的結(jié)構(gòu)一般可分為3 3層：層：最外一層為最外一層為角質(zhì)層角質(zhì)層，很薄，透明，很薄，透明，有光澤，有光澤，由殼基質(zhì)構(gòu)成由殼基質(zhì)構(gòu)成，不受酸堿，不受酸堿的侵蝕，可保護貝殼。的侵蝕，可保護貝殼。中間一層為殼層，又稱中間一層為殼層，又稱棱柱層棱柱層，占，占貝殼的大部分，貝殼的大部分，由極細的由極細

17、的棱柱狀棱柱狀的的方解石方解石（CaCOCaCO3 3, , 三方晶系）三方晶系）構(gòu)成構(gòu)成。最內(nèi)一層為殼底最內(nèi)一層為殼底, ,即即珍珠質(zhì)層珍珠質(zhì)層，富光，富光澤，澤，由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而成成、成層排列，組成成分是、成層排列，組成成分是多角片多角片型型的的文石結(jié)晶體（文石結(jié)晶體（CaCOCaCO3 3, , 斜方晶斜方晶系）系）。 貝殼和珍珠在斷裂前能經(jīng)貝殼和珍珠在斷裂前能經(jīng)受較大的塑性變形，具有受較大的塑性變形，具有優(yōu)異的高韌性。其主要原優(yōu)異的高韌性。其主要原因是由于因是由于裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維（晶片）拔出以及有機基（晶片）拔出以及有機基質(zhì)橋接質(zhì)橋接等各

18、種韌化機制協(xié)等各種韌化機制協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌同作用的結(jié)果。而這些韌化機制又與珍珠層的特殊化機制又與珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。貝殼是的強、韌的最佳配貝殼是的強、韌的最佳配合合, ,它又被稱為它又被稱為摔不壞的摔不壞的陶瓷陶瓷。針對珍珠層特有的生物特征，清華大學(xué)模仿珍珠層的兩級增韌針對珍珠層特有的生物特征，清華大學(xué)模仿珍珠層的兩級增韌機制，設(shè)計制備出仿珍珠層的具有較高強度和韌性的復(fù)合機制，設(shè)計制備出仿珍珠層的具有較高強度和韌性的復(fù)合陶瓷陶瓷。二、骨骼的二、骨骼的分級結(jié)構(gòu)分級結(jié)構(gòu)與仿生與仿生松質(zhì)骨和密質(zhì)骨松質(zhì)骨和密質(zhì)骨例：長骨例：長骨 兩端骨骺（松質(zhì)骨）兩端骨骺（松質(zhì)

19、骨） 中間骨干（密質(zhì)骨）中間骨干（密質(zhì)骨）骨的主要有機相：膠原纖維（三股螺旋結(jié)構(gòu)）骨的主要有機相：膠原纖維（三股螺旋結(jié)構(gòu)）松質(zhì)骨，羥基磷灰石松質(zhì)骨，羥基磷灰石+ +膠原基體膠原基體 密質(zhì)骨，薄層膠原纖維密質(zhì)骨，薄層膠原纖維+ +礦物晶體礦物晶體長骨的分級結(jié)長骨的分級結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖 仿骨啞鈴型晶須研制仿骨啞鈴型晶須研制 動物的長骨，其構(gòu)造特點為中部細長，骨質(zhì)致密；兩端粗大，動物的長骨，其構(gòu)造特點為中部細長，骨質(zhì)致密；兩端粗大，骨質(zhì)疏松。骨質(zhì)疏松。 凡是骨骼中應(yīng)力大的區(qū)域也正好是強度高的區(qū)域。凡是骨骼中應(yīng)力大的區(qū)域也正好是強度高的區(qū)域。 長骨兩端粗大，一方面在長骨兩端粗大，一方面在受壓時減緩壓

20、應(yīng)力的沖擊受壓時減緩壓應(yīng)力的沖擊，另一方，另一方面在與肌肉組織的協(xié)調(diào)配合上，面在與肌肉組織的協(xié)調(diào)配合上，粗大的端部有利于應(yīng)力傳遞粗大的端部有利于應(yīng)力傳遞，更更有效地發(fā)揮骨質(zhì)致密的中段骨頭的有效地發(fā)揮骨質(zhì)致密的中段骨頭的承力作用承力作用。這種骨頭與肌。這種骨頭與肌肉的有效配合，使得肢體的比強度和持重比提高。肉的有效配合，使得肢體的比強度和持重比提高。 啞鈴型晶須及其制備方法啞鈴型晶須及其制備方法三三、仿生自愈合材料、仿生自愈合材料生物愈合過程是有一些共性的。生物愈合過程是有一些共性的。（1 1）愈合過程是由損傷而引起的愈合過程是由損傷而引起的，在生命機能沒，在生命機能沒有受到致命傷害的情況下，損

21、傷是啟動愈合機制有受到致命傷害的情況下，損傷是啟動愈合機制的最基本條件；的最基本條件；（2 2）在愈合初期，損傷逐漸被由損傷刺激而產(chǎn)生）在愈合初期，損傷逐漸被由損傷刺激而產(chǎn)生的增生組織所填充；的增生組織所填充；（3 3）通過機體的輸運、化學(xué)反應(yīng)，填充在損傷部）通過機體的輸運、化學(xué)反應(yīng)，填充在損傷部位的物質(zhì)位的物質(zhì)( (如薄壁組織、凝塊等如薄壁組織、凝塊等) )發(fā)生變化，強度發(fā)生變化，強度提高，構(gòu)成與周圍組織的有效連接；提高，構(gòu)成與周圍組織的有效連接；（4 4）愈合過程需要一定的物質(zhì)及能量供應(yīng)，以產(chǎn)）愈合過程需要一定的物質(zhì)及能量供應(yīng)，以產(chǎn)生填充損傷的組織，而向損傷處世行物質(zhì)供應(yīng)的生填充損傷的組織

22、，而向損傷處世行物質(zhì)供應(yīng)的輸運過程都有液相的參與；輸運過程都有液相的參與；（5 5）生物的愈合是使損傷處的有效連接恢復(fù)。生物的愈合是使損傷處的有效連接恢復(fù)。受生物體損傷自動愈合的啟受生物體損傷自動愈合的啟發(fā)，發(fā)， WhiteWhite組研究并報道了組研究并報道了一種具有自動修復(fù)裂紋能力一種具有自動修復(fù)裂紋能力的聚合物材料。這種材料嵌的聚合物材料。這種材料嵌有內(nèi)裝修復(fù)劑的微膠囊，每有內(nèi)裝修復(fù)劑的微膠囊，每個微膠囊約有頭發(fā)絲寬，這個微膠囊約有頭發(fā)絲寬，這些微膠囊遇到裂紋入侵時破些微膠囊遇到裂紋入侵時破裂，并通過毛細作用釋放修裂，并通過毛細作用釋放修復(fù)劑到裂紋面，修復(fù)劑接觸復(fù)劑到裂紋面，修復(fù)劑接觸預(yù)

23、先埋入環(huán)氧基體的催化劑預(yù)先埋入環(huán)氧基體的催化劑而引發(fā)聚合，鍵合裂紋面。而引發(fā)聚合，鍵合裂紋面。這種損傷誘導(dǎo)的引發(fā)聚合使這種損傷誘導(dǎo)的引發(fā)聚合使得裂紋修復(fù)實現(xiàn)了就地自動得裂紋修復(fù)實現(xiàn)了就地自動控制控制四、竹木結(jié)構(gòu)及其仿生四、竹木結(jié)構(gòu)及其仿生木纖維細胞壁構(gòu)成：木纖維細胞壁構(gòu)成：短鏈高分子半纖維素締結(jié)物質(zhì)短鏈高分子半纖維素締結(jié)物質(zhì)+ +纖維素集束成微纖絲的骨架纖維素集束成微纖絲的骨架物質(zhì)物質(zhì)+ +塊狀高分子木素硬化物質(zhì)塊狀高分子木素硬化物質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)：類似混凝土，有強度又有韌性復(fù)合結(jié)構(gòu)：類似混凝土，有強度又有韌性木纖維微觀結(jié)構(gòu)示意圖木纖維微觀結(jié)構(gòu)示意圖仿竹木結(jié)仿竹木結(jié)構(gòu)的纖維構(gòu)的纖維獨石結(jié)構(gòu)獨石結(jié)構(gòu)陶

24、瓷材料陶瓷材料 6 6.4 .4 生物體生物體的表面性能及其的表面性能及其仿生仿生 納米界面納米界面材料材料1 1、粗糙結(jié)構(gòu)、粗糙結(jié)構(gòu)荷葉荷葉效應(yīng)效應(yīng)荷葉粗糙表面上有微米結(jié)荷葉粗糙表面上有微米結(jié)構(gòu)的乳突，平均直徑為構(gòu)的乳突，平均直徑為5-5-9um9um，單個乳突又是由平均，單個乳突又是由平均直徑約為直徑約為124.3nm124.3nm的納米結(jié)的納米結(jié)構(gòu)分支組成，乳突之間的構(gòu)分支組成，乳突之間的表面同樣存在納米結(jié)構(gòu)。表面同樣存在納米結(jié)構(gòu)。微米微米- -納米的分級復(fù)合納米的分級復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單一微米或納米結(jié)構(gòu)示意圖（上）單一微米或納米結(jié)構(gòu)示意圖（上）微米微米- -納米的分級復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖納米的分級

25、復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖（下）（下）由于微、納米結(jié)構(gòu)并存，大由于微、納米結(jié)構(gòu)并存，大量空氣儲存在這些微小的凹量空氣儲存在這些微小的凹凸之間，水珠只與荷葉表面凸之間，水珠只與荷葉表面乳突的部分蠟質(zhì)晶體絨毛相乳突的部分蠟質(zhì)晶體絨毛相接觸。接觸。在荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，這種在荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，這種微米結(jié)構(gòu)微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)是引起表面超疏水的根本原因與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所產(chǎn)生的超疏水表面具有較大的接觸角及較小的滾而且，如此所產(chǎn)生的超疏水表面具有較大的接觸角及較小的滾動角。另外，在荷葉的下一層表面同樣可以發(fā)現(xiàn)納米結(jié)

26、構(gòu)，它動角。另外，在荷葉的下一層表面同樣可以發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)，它可以有效的阻止荷葉的下層被潤濕。可以有效的阻止荷葉的下層被潤濕。 2 2、表面各向異性、表面各向異性水稻葉水稻葉表面存在類似于荷葉表面微表面存在類似于荷葉表面微/ /納米結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)，納米結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)，但但在水稻葉表面，乳突沿平行于葉邊緣的方向排列有序，在水稻葉表面，乳突沿平行于葉邊緣的方向排列有序，而沿著垂直方向呈無序的任意排列，水滴在這兩個方向而沿著垂直方向呈無序的任意排列，水滴在這兩個方向的滾動角也不相同，其中沿平行方向為的滾動角也不相同，其中沿平行方向為3-53-5，垂直方向，垂直方向為為9-159-15。 類水稻葉表面碳

27、納米管薄膜類水稻葉表面碳納米管薄膜蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個鱗片上分布有排列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，個鱗片上分布有排列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，每條帶由傾斜的周期性片層堆積而成每條帶由傾斜的周期性片層堆積而成。3. 3. 昆蟲昆蟲翅膀表面的自清潔性翅膀表面的自清潔性RORO不滾動不滾動蝴蝶蝴蝶以身體為中心軸向外發(fā)散方向（以身體為中心軸向外發(fā)散方向（RORO方向）傾斜，水滴方向）傾斜，水滴易滾動；反向傾斜，水滴不能滾離；垂直易滾動；反向傾斜，水滴不能滾離；垂直RORO的兩個方向，的兩個方向，水滴不易滾離。水滴不易滾離。在在水面行走的昆蟲水面行走的昆蟲水黽

28、水黽水黽水黽的腿能排開的腿能排開300300倍倍于其身體體積的水量，于其身體體積的水量，它的一條腿能在水面上它的一條腿能在水面上支撐起支撐起1515倍于身體的重倍于身體的重量，它在水面上每秒鐘量，它在水面上每秒鐘可滑行可滑行100100倍于身體長倍于身體長度的距離。度的距離。 水黽是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)，將水黽是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)，將空氣有效地吸附在空氣有效地吸附在這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的

29、超疏水特性。出水黽腿的超疏水特性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員以多孔狀銅網(wǎng)為基材，并將其制作哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員以多孔狀銅網(wǎng)為基材，并將其制作成數(shù)艘郵票大小的成數(shù)艘郵票大小的“微型船微型船”，然后通過硝酸銀等溶液的浸泡，然后通過硝酸銀等溶液的浸泡處理，使船表面具備超疏水性。這種微型船不但可以在水面自處理，使船表面具備超疏水性。這種微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承載超過自身最大排水量由漂浮，且可承載超過自身最大排水量50%50%以上的重量，甚至以上的重量，甚至在其重載水線以上的部分處于水面以下時也不會沉沒在其重載水線以上的部分處于水面以下時也不會沉沒。船。船表面表面的超疏水結(jié)構(gòu)可在船外表面

30、形成的超疏水結(jié)構(gòu)可在船外表面形成“空氣墊空氣墊”，改變了船與水的，改變了船與水的接觸狀態(tài)，防止船體表面被水直接打濕。接觸狀態(tài)，防止船體表面被水直接打濕。 模仿水黽模仿水黽-新型超級浮力材料新型超級浮力材料模仿水黽模仿水黽“水上漂水上漂”功夫的機功夫的機器人器人 在在墻壁上行走的動物墻壁上行走的動物壁虎壁虎 壁虎壁虎的每只腳底長著大約的每只腳底長著大約5050萬根萬根極細的剛毛（長極細的剛毛（長100um)100um)，剛毛末端又，剛毛末端又有約有約40010004001000根更細小的分支根更細小的分支。 壁虎壁虎的腳底與物體表面之間的的腳底與物體表面之間的黏黏附力附力來自于剛毛與物體表面分子

31、之間來自于剛毛與物體表面分子之間的的“范德華力范德華力”的累積（范德華力是的累積（范德華力是中性分子彼此距離很接近時，產(chǎn)生的中性分子彼此距離很接近時，產(chǎn)生的一種微弱的電磁引力）。一種微弱的電磁引力）。 壁虎壁虎的腳抗灰塵能力的自清潔性的腳抗灰塵能力的自清潔性發(fā)生在整齊排列的剛毛上。由于粘附發(fā)生在整齊排列的剛毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底與吸引在單個或力所吸引在爬行基底與吸引在單個或多個剛毛小分支上的灰塵粒子存在著多個剛毛小分支上的灰塵粒子存在著不均勻性，從而導(dǎo)致表面的自清潔性。不均勻性，從而導(dǎo)致表面的自清潔性。 壁虎腳在踩踏臟物之后，臟物的壁虎腳在踩踏臟物之后，臟物的顆粒堆積在絨毛表面，而不

32、是粘在絨顆粒堆積在絨毛表面，而不是粘在絨毛上，因此在堆積到一定程度之后臟毛上，因此在堆積到一定程度之后臟物顆粒在重力的作用下就會脫落。物顆粒在重力的作用下就會脫落。 仿生應(yīng)用仿生應(yīng)用-仿生壁虎腳仿生壁虎腳 利用利用結(jié)構(gòu)可控的直立型結(jié)構(gòu)可控的直立型碳納米管陣列制成碳納米管陣列制成（4 44 4）平方）平方毫米的碳納米毫米的碳納米管陣列自吸附管陣列自吸附在垂直玻璃的在垂直玻璃的表面上懸掛一表面上懸掛一瓶約瓶約650650克的瓶克的瓶裝可樂飲料；裝可樂飲料；自吸附在垂直自吸附在垂直的砂紙表面上的砂紙表面上懸掛一個金屬懸掛一個金屬鋼圈。鋼圈。“壁虎機器人壁虎機器人”具有粘性腳足，足底有數(shù)百萬個極其微小的毛發(fā)具有粘性腳足，足底有數(shù)百萬個極其微小的毛發(fā)( (由銳利由銳利的錐形人造光纖制成的錐形人造