仿生材料序精品課件

1、仿生材料序第1頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日材料開發(fā)的新思路天然可再生資源的利用, 源源不絕、環(huán)境友好、低碳發(fā)展的概念多從自然界動植物中尋求靈感從事綠色材料、仿生材料的研究第2頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日預備知識： 高分子材料成型原理、材料學及生物學的基本知識。課程學習目的與要求： 本課程將在介紹自然界中生物的結構、功能或行為過程等的基礎上，進一步介紹近年來國內外研究人員受生物啟發(fā)（Bio-inspired）或模仿生物（Biomimetic）的各種特性而開發(fā)的仿生材料及其研究進展，使學生初步了解仿生材料領域國內外的最新研究動態(tài)及各種仿生

2、材料的加工技術。 仿生材料（Biomimetic Materials） 第3頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日主要參考資料：Nature近期雜志。Science近期雜志。Biomacromolecules近期雜志。Advanced Materials近期雜志。International Journal of Biological Macromolecules近期雜志。 仿生材料，崔福齋、鄭傳林編著，化學工業(yè) 出版社（2004）。第4頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日第一章 緒 論第一節(jié) 仿生學 蜘蛛絲的強韌性；蜻蜓出色的飛行本領；蒼蠅的多種特殊功

3、能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動型蛾（Night Moth）的眼蜂巢奇妙的構造； 蟑螂靈敏的感知能力；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；荷花葉面有絕佳的抗污性 (self-cleaning properties )和撥水性 (water repellent )； 生物的骨骼構造比鋼鐵強硬；自然界生物的各種奇妙功能第5頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日大象的奇妙行為大象是陸地上最大的動物，現(xiàn)存的大象僅有非洲象和亞洲象。非洲象體型較大，最大的雄象約7噸重，雌雄象都長有發(fā)達的象牙；亞洲象略

4、小，最大的體重約5噸，只有雄象才長有發(fā)達的象牙。大象是如何支撐其身體的重量的?第6頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日大象的奇妙行為-怪異的步伐第7頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日大象的奇妙行為大象屬于恒溫動物大象能承受的體溫變化較大大象居于炎熱地帶其散熱方式和身體結構有關。第8頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日大象的奇妙行為第9頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日大象的奇妙行為大象的溝通方式很復雜。同步前進相隔很遠的象群是怎樣進行遙感溝通的?第10頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，

5、星期日大象的奇妙行為第11頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日螞蟻的奇妙行為分工合作、發(fā)揮集體智慧的行為能拖動比自身體重大幾十倍的食物喝雨水再排尿的防穴內進水絕招第12頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日 蜘蛛絲的強韌性；蜻蜓出色的飛行本領；蒼蠅的多種特殊功能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動型蛾（Night Moth）的眼蜂巢奇妙的構造； 蟑螂靈敏的感知能力；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；荷花葉面有絕佳的抗污性 (self-cleaning properties

6、 )和撥水性 (water repellent )； 生物的骨骼構造比鋼鐵強硬；自然界生物的各種奇妙功能第13頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日 生物的各種奇妙功能 給人類啟發(fā) -仿生思維 模仿生物本領 造出仿生材料 新興學科仿生學（仿生材料） 人類進化：500萬年生命進化：約35億年形成了最優(yōu)化的形態(tài)結構、最有效的物質代謝和再循環(huán)系統(tǒng)、最精確的控制和協(xié)調過程。 第14頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日 研究并模仿生物系統(tǒng)的結構、形狀、功能、原理、行為過程及相互作用等從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成的科學 是生物學和技術學相結合

7、的交叉學科 涉及生物學、生物物理學、生物化學、物理學、控制論、工程學等學科領域 仿生技術 通過對各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，最后實現(xiàn)新的技術設計并制造出更好的新型儀器、機械等。仿生學第15頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日社會仿生學（模仿生物的群體意識等）化學仿生學（在分子水平或分子層次上進行仿生）機械仿生學建筑仿生學電子仿生學計算仿生學（神經網(wǎng)絡、遺傳等算法）軍事仿生學運動仿生學（仿飛禽走獸的動作健身） 美容仿生學仿生學的分類第16頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日社會仿生學生物社會中的三個特征地域觀念 有各自的

8、活動范圍 群體意識 團結協(xié)作的群體活動 等級制度 麝牛意識到危險來臨，立刻圍成圓陣第17頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日軍事仿生學狼群戰(zhàn)術（集群攻擊）蛙跳（蛤?。?zhàn)術 (向若干個重要目標做跳躍進攻）蠶食戰(zhàn)術（像餓蠶進食那樣小口快吃，步步為營）敲山震虎戰(zhàn)術（以打促降攻心制敵）麻雀戰(zhàn)術（四面八方以游擊戰(zhàn)消耗、迷惑、殺傷敵人）蟻海戰(zhàn)術（聚集力量）小魚吃大魚戰(zhàn)術（仿硬顎魚對付鯊魚的“鉆肚子”或“掏心”戰(zhàn)術 ） 第18頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日運動仿生學太極拳運動 ： 白鶴亮翅（仿善飛的白鶴展翅欲飛動作 伸舒筋骨） 抱虎歸山、倒攆猴氣功“五禽戲動

9、功” ： 猛虎撲食、鹿糜奔躍、熊步蹣跚、鵬鳥展翅、猿猴攀登 少林拳 仿虎 ：白虎洗臉、猛虎轉身、老虎靠山、老虎彈爪、大虎抱頭、老虎擺尾、虎 下山、黑虎破膽、猛虎跳澗、猛虎穿林、猛虎觀鹿、老虎張口、老虎坐樁、餓虎登山、黑虎望山、黑虎鉆木、黑虎抓心. 仿豹：豹子出洞、豹子扣爪、豹子縮身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回頭 仿馬 ：野馬上槽、野馬奔川、野馬彈蹄、野馬分鬃 仿猴 、仿猿 、仿鶴 、仿鷹 、仿燕 、仿雁 .田徑比賽 起跑姿勢：下蹲式（仿袋鼠在跳躍前總是把腿收縮起來再跳 比直立式更快） 游泳姿勢：蛙泳式（仿游泳能手青蛙） 第19頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日第二節(jié) 人

10、類仿生的發(fā)展歷史魯班 觀察絲矛草葉子 仿其邊緣的細齒結構 發(fā)明鋸子 觀察魚在水中的游泳 仿魚類的形體 發(fā)明木船 仿魚尾巴搖擺而游動、轉彎 發(fā)明木漿、櫓和舵 魯班 觀察鳥的飛翔 用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”達芬奇 解剖鳥的身體并觀察其飛行 制造撲翼機 （飛機的雛型） 古代仿生學的萌芽第20頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日 20 世紀40 年代前潛水艇的沉浮系統(tǒng)的開發(fā) 魚充氣的魚鰾 （裝載石塊交替充排水浮箱壓載水艙） （分泌或吸收氧氣） 雷達、戰(zhàn)艇偵察手段的開發(fā) 蝙蝠、海豚的“回聲定位”系統(tǒng) （噪聲測向儀聲納系統(tǒng)） 高速飛機的開發(fā) 蜻蜓翅膀上的翼眼 （在機翼前緣的遠端

11、上安放加重裝置以消除顫振） 近代仿生學的被動進展第21頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日現(xiàn)代仿生學的誕生20世紀60年代起,仿生學“Bionics” 的構成 全美第一屆仿生學討論會的召開標志著仿生學的誕生 20世紀90年代起,材料仿生的真正起步(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired) 仿生學領域的不斷拓展（人居仿生學、企業(yè)仿生學、仿生減肥等） 直接開發(fā)生物系統(tǒng)本身（鰻腦指揮機器人、飛蛾觸須探測爆炸物等） 現(xiàn)代仿生學的誕生第22頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日第三節(jié) 仿生材料 仿生材料定義： 人類受生物啟發(fā)或模仿

12、生物的各種特性、行為、結構等而開發(fā)的材料。 研究范圍主要包括： 分子仿生、結構（力學）仿生、行為過程和加工方法仿生、能量仿生、信息處理與控制（神經）仿生等。 第23頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日1. 分子仿生 分子仿生：研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物體成分或其類似物的合成等。 eg：蒼蠅超越的抵抗細菌的能力:蠅蛆可分離具有高強殺菌作用的”抗菌肽” eg：舞毒蛾 合成類似蛾性引誘激素成分的有機化合物 誘殺雄蟲第24頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日從舞毒蛾的行為- “仿生誘芯”的合成及應用舞毒蛾有趣行為的觀察： 夜

13、晚有許多雄蛾圍著有活雌蛾（殘體）的小籠不停地盤旋。舞毒蛾有趣行為的分析： 雌蛾伸出腹部的腺體，釋放求愛的化學氣味。我國科學家展開的成分仿生： 破譯雌蛾的這種化學語言（分析性引誘激素） 研制出“仿生誘芯”（模仿性引誘激素的化學結構人工合成類似有機化合物）在農林害蟲防治預測中的應用 將其（千萬分之一微克）加入誘捕器引誘雄蛾，既殺蟲，又可預測害蟲的發(fā)生期。我國已研制成功60多種“仿生誘芯” 第25頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2結構仿生 結構仿生：研究并模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質、生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質及其它結構功能。

14、 貝殼結構 修造大跨度薄殼建筑 股骨結構 建造立柱海豚皮膚的溝槽結構 包敷人工海豚皮于船外殼啄木鳥腦殼的海綿狀組織骨骼 制備類似材料用于包裝運輸領域 消除應力集中、用最少的建材承受最大的載荷減少湍流提高航速減震第26頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日3行為過程和加工方法仿生 行為過程和加工方法仿生：研究并模仿生物體某些特殊的行為過程及其功能或加工方法(體內物理和化學過程)的原理。長脖的蒼鷺-遠距離捕食的高手 用矛捕魚或嫻熟的標槍能手長尾巴的禾鼠-隨處攀爬的高手 平衡杠或安全繩的應用蜘蛛的成絲過程-各種因素協(xié)同作用下的液晶態(tài)干法紡絲 第27頁，共37頁，2022年，5月2

15、0日，14點19分，星期日4能量仿生 能量仿生：研究與模仿生物器官生物發(fā)光發(fā)電、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程。 電魚（電鰩、電鰻等）-發(fā)電器官能產生幾百伏電壓 設計伏打電池螢火蟲-高發(fā)光效率 人工合成冷光源植物的光合作用（藍藻等） 仿生光解水裝置制備氫能源第28頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日5信息處理與控制仿生 信息處理與控制仿生：研究與模擬生物體中的感覺器官、神經元與神經網(wǎng)絡以及高級中樞等智能系統(tǒng)的信息處理過程。蜜蜂、螞蟻等偏振光定向本領 制成偏光天文羅盤用于航海和航空的定向鴿子視網(wǎng)膜系統(tǒng)對外界特殊的反應能力 研制電子鴿眼用于預警雷達系統(tǒng)昆

16、蟲等感覺器官的高度靈敏性 制成各種傳感器和測試儀 第29頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日蟑螂靈敏的感知能力從感知風速到逃跑只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對2公分/秒的風做出反應可做微流速感知器信息處理與控制仿生第30頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日研究特點 對生物神經系統(tǒng)和感覺器官的仿生居多(80%)最廣泛地運用類比、模擬和模型方法 生物原型-基礎 數(shù)學模型-橋梁 硬件模型-目的第31頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日國內外研究現(xiàn)狀 國外不斷在加強、深入各種微型仿生飛行器的試制（微型間諜蒼蠅）仿生視網(wǎng)膜技術裝

17、置（含4000感光器的電子芯片）鰻腦機器人等模擬昆蟲集體行動的計算機軟件設計仿生物鋼-蜘蛛絲已從基礎研究發(fā)展到商業(yè)化競爭階段 第32頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日第33頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日, 2007第34頁，共37頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日國內外研究現(xiàn)狀 國內剛剛在起步、摸索2002年起相關研究列入863計劃前沿探索類項目2003年10月香山科學會議（主題：飛行和游動的生物力學與仿生技術） 2003年12月香山科學會議（主題：仿生學的前沿和未來）2004年8月北京自然博物館舉辦昆蟲微觀結構與仿生的展覽。處于起步的實驗室階段 受關注的力度還相當不夠國家自然科學基金項目“直翅目昆蟲線粒體DNA的分子系統(tǒng)學研究”-7萬教育部基金項目“單拷貝核基