仿生復(fù)合材料

PAGEPAGE29仿生材料研究進(jìn)展(講義)ResearchProgressofbiomimeticmaterials仿生學(xué)（Bionics）誕生于二十世紀(jì)60年代，是Bi(o)+(electr)onics的組合詞，重點(diǎn)著眼于電子系統(tǒng)，研究如何模仿生物機(jī)體和感官結(jié)構(gòu)及工作原理，而材料的仿生研究則由來已久。80年代后期，日本復(fù)合材料學(xué)會(huì)志發(fā)表了一系列關(guān)于材料仿生設(shè)計(jì)的論文[1]，分析了部分生物材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)和性能，我國(guó)學(xué)者也開展了卓有成效的探索[2-6]。美、英等國(guó)合作在1992年創(chuàng)辦了材料仿生學(xué)雜志(Biomimetics)，Biomimetics意為模仿生物，著重力學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的仿生研究。但人們往往狹義地理解“mimetic”含義，認(rèn)為材料仿生應(yīng)盡可能接近模仿材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而出現(xiàn)一些不必要的爭(zhēng)議。近年來國(guó)外出現(xiàn)“Bio-inspired”一詞，意為受生物啟發(fā)而研制的材料或進(jìn)行的過程。其含義較廣，爭(zhēng)議較少，似更貼切，因而漸為材料界所接受。通常把仿照生命系統(tǒng)的運(yùn)行模式和生物體材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計(jì)制造的人工材料稱為仿生材料(BiomimeticMaterials)。這是材料科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，這一結(jié)合衍生出三大研究領(lǐng)域：天然生物材料，生物醫(yī)學(xué)材料（狹義仿生）和仿生工程材料（廣義仿生—即受生物啟發(fā)而進(jìn)行的材料仿生設(shè)計(jì)、制備與處理等）。天然生物材料與生物醫(yī)學(xué)材料天然生物材料經(jīng)過億萬年物競(jìng)天擇的進(jìn)化，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。通過天然生物材料的研究，人類得到了很多啟示，開發(fā)出許多生物醫(yī)學(xué)材料和新型工程材料。天然生物材料的主要組成為蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)是由各種氨基酸〈己知有20種〉組成的長(zhǎng)鏈，改變氨基酸的種類及排列次序，便可以合成千差萬別、性能各異的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的合成決定于遺傳基因，即RNA〈核糖核酸〉中每三個(gè)堿基對(duì)構(gòu)成一個(gè)密碼子，決定一種氨基酸[7]。在現(xiàn)代遺傳工程研究中采用“基因定位突變技術(shù)”，可以改變某些堿基對(duì)的順序和種類，以合成所需要的蛋白質(zhì)，利用DNA技術(shù)直接“克隆”出天然生物材料己有報(bào)導(dǎo)。可見蛋白質(zhì)有機(jī)材料不僅性能優(yōu)越，而且易于調(diào)整和控制，因此將會(huì)作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料得到應(yīng)用。目前，蛋白質(zhì)材料己在生物芯片、生物傳感器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域派上用場(chǎng)[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，被詳細(xì)研究過的生物材料迄今已超過一千多種，涉及到材料學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用的就有幾十種。用以和生物系統(tǒng)結(jié)合，以診斷、治療或替換機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料被稱為生物醫(yī)學(xué)材料〈BiomedicalMaterials〉[9]。根據(jù)材料的生物性能，可分為生物惰性材料(BioinertMaterials)與生物活性材料(BioactiveMaterials)兩大類。前者在生物環(huán)境中能保持穩(wěn)定，不發(fā)生或僅發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng)，后者則能誘發(fā)出特殊生物反應(yīng)，導(dǎo)致組織和材料之間形成鍵接，或提高細(xì)胞活性、促進(jìn)新組織再生。根據(jù)材料的組成又可分為：生物醫(yī)學(xué)金屬材料(BiomedicalMetallicMaterials)，生物醫(yī)學(xué)高分子材料（BiomedicalPolymer），生物陶瓷（BiomedicalCeramics），生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料（BiomedicalComposites），生物衍生材料(BiologicallyDerivedMaterials)等。生物醫(yī)學(xué)材料要直接與生物系統(tǒng)結(jié)合，除應(yīng)滿足各種生物功能和理化性能要求外，還必須具有與生物體的組織相容性，即不對(duì)生物體產(chǎn)生明顯的有害效應(yīng)，且不會(huì)因與生物體結(jié)合而降低自身的效能和使用壽命。醫(yī)學(xué)臨床對(duì)所用生物材料的基本要求包括：材料無毒，不引起生物細(xì)胞的突變和組織反應(yīng)；與生物組織相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、發(fā)熱和過敏等；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液、及酶的腐蝕和體內(nèi)生物老化；具有與天然組織相適應(yīng)的物理、力學(xué)性能等。為滿足上述要求，生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料是較佳選擇。醫(yī)用金屬、高分子材料、生物陶瓷等均可作為生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料的基體或增強(qiáng)體，經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕M合、搭配，可得到大量性質(zhì)各異、滿足不同功能要求的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料。此外，生物體中絕大多數(shù)組織均可視為復(fù)合材料。通過生物技術(shù)，把一些活體組織、細(xì)胞和誘導(dǎo)組織再生的生長(zhǎng)因子等引入生物醫(yī)學(xué)材料，給無生命的材料賦予生命的活力，并使其具有藥物治療功能，成為一類新型生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料——可吸收生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料，這些材料的發(fā)展為獲得真正仿生的復(fù)合材料開辟了途徑。材料仿生與仿生工程材料從材料學(xué)角度認(rèn)識(shí)、模仿或利用某些生物體的顯微結(jié)構(gòu)、生化功能或生物合成過程來進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)、制造，以便獲得具有特殊功能或優(yōu)異性能的新材料是材料仿生的主要內(nèi)容，也是設(shè)計(jì)制造新型復(fù)合材料的有效途徑。材料仿生包括：結(jié)構(gòu)仿生、過程仿生、功能仿生、智能仿生與綜合仿生。材料仿生的過程大致可分為三個(gè)步驟，即仿生分析，仿生設(shè)計(jì)，仿生制備?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于仿生分析的研究較多，而涉及仿生設(shè)計(jì)與制備的研究較少。1、結(jié)構(gòu)仿生天然生物材料幾乎都是復(fù)合材料，不同物質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)、不同增強(qiáng)體形態(tài)和尺度的復(fù)合使得天然生物材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一常規(guī)材料的綜合性能。結(jié)構(gòu)仿生的目的就是研究天然生物材料這些天然合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，并用以設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)復(fù)合材料。1）增強(qiáng)體形態(tài)仿生：作為復(fù)合材料，增強(qiáng)體的形態(tài)、尺寸對(duì)其性能有重要影[10-13]。由植物學(xué)可知，幾乎所有的植物纖維細(xì)胞都是空心的?？招捏w的韌性和抗彎強(qiáng)度要高于相同截面的實(shí)心體。用CVD方法制備空心石墨纖維，其強(qiáng)度與柔韌性均明顯高于實(shí)心纖維。竹纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)如圖所示，其中包含多層厚薄相間的纖維層，每層中的微纖絲以不同升角分布，不同層間界面內(nèi)升角逐漸變化（圖l），據(jù)此提出了仿生纖維雙螺旋模型(圖2)，實(shí)驗(yàn)證明其壓縮變形比普通纖維高3倍以上[14-15]。文獻(xiàn)[16]高溫高壓條件下合成了竹纖維狀Si3N4/BN陶瓷復(fù)合材料，證明其斷裂韌性和斷裂功分別超過了24Mpam1/2和4000J/m2。aab圖1竹纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)圖2增強(qiáng)纖維的仿生模型（a）和一束傳統(tǒng)增強(qiáng)纖維模型(b)動(dòng)物的長(zhǎng)骨一般為中間細(xì)長(zhǎng)、兩端粗大、過渡圓滑的啞鈴形結(jié)構(gòu)，既有利于應(yīng)力的減緩，又避免了應(yīng)力集中，與肌肉配合使肢體具有很高的持重比。模仿這種結(jié)構(gòu)[1]，把短纖維設(shè)計(jì)成啞鈴形，并計(jì)算出端球與纖維直徑的最佳比值，用這種形態(tài)增強(qiáng)體制得的復(fù)合材料強(qiáng)度提高了1.4倍。深扎在土壤里的樹根和草根不僅可以吸收水分和養(yǎng)料，保證草木生長(zhǎng)并樹立于風(fēng)雨中不被吹倒或拔起，而且還可防止水土流失，加固河岸與堤壩。模仿樹根和草根的結(jié)構(gòu)，人們提出了分形樹纖維模型（圖3）。理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，具有分叉結(jié)構(gòu)的纖維拔出力和拔出功隨分叉角的增加而增加，這種根莖分叉狀形態(tài)的增強(qiáng)體可同時(shí)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。甲殼的纖維片條中存在許多“釘柱”以及由“釘柱”支撐而形成的空隙，這樣的結(jié)構(gòu)形式使材料既較輕而又具有較好的剛度和面內(nèi)抗剪強(qiáng)度,滿足了昆蟲外甲殼自然復(fù)合材料對(duì)提高材料強(qiáng)度、剛度、減輕材料重量以及釋放或減輕材料內(nèi)應(yīng)力的要求。在昆蟲外甲殼中的傳感器官和傳輸物質(zhì)的管道及孔洞附近的纖維具有較高的密度及保持連續(xù)地繞過,這與孔邊的高應(yīng)力場(chǎng)相適應(yīng),當(dāng)外甲殼發(fā)生斷裂時(shí)在這些地方遇到強(qiáng)烈的抵抗而消耗大量的能量,使材料在孔洞附近具有很好的強(qiáng)度和止裂能力。據(jù)此結(jié)構(gòu)制備的復(fù)合材料有更高的強(qiáng)度和斷裂韌性[17]。圖3分形樹纖維拔出模型（a）一級(jí)分叉纖維（b）二級(jí)分叉纖維2)增強(qiáng)體與基體組合方式仿生海洋貝類殼體的層片結(jié)構(gòu)及其仿生海洋貝類殼體可看成是一類天然陶瓷基復(fù)合材料，其組成較為簡(jiǎn)單，由近95%以上較硬的無機(jī)相一一碳酸鈣和少于5%較韌的有機(jī)質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖）所構(gòu)成。通常碳酸鈣晶體的強(qiáng)度及彈性模量等比一般氧化物、碳化物晶體低，但當(dāng)碳酸鈣與有機(jī)質(zhì)構(gòu)成貝殼后，卻具有很強(qiáng)的抗撓曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。尤其是斷裂韌性，明顯高于其它人造陶瓷。貝殼的性能是由其結(jié)構(gòu)決定的，即由碳酸鈣晶體的規(guī)則取向及其與有機(jī)質(zhì)的復(fù)合排列方式所決定。海洋貝類殼體常見的結(jié)構(gòu)類型如圖4所示[18]，不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的性能。鮑魚的殼體具有典型的珍珠層結(jié)構(gòu)，碳酸鈣薄片與有機(jī)質(zhì)按照“磚與泥漿”形式砌合而成。碳酸鈣為多角片狀，厚度為微米量級(jí)：有機(jī)質(zhì)為片間薄層，厚度為納米量級(jí)。圖4幾種常見的貝殼的微觀結(jié)構(gòu)（a）珍珠層（b）葉片層（c）陵柱層（d）交叉疊層（e）復(fù)合層片海螺殼則為層片交叉疊合結(jié)構(gòu)，層厚10~40μm，各層取向互成70°~90°的夾角。研究表明，碳酸鈣晶體與有機(jī)基質(zhì)的交替疊層排列是造成裂紋偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生韌化的關(guān)鍵所在。一般說來，珍珠層結(jié)構(gòu)具有比交叉層片結(jié)構(gòu)更高的強(qiáng)度和斷裂能，而后者在阻止裂紋擴(kuò)展方面更具優(yōu)勢(shì)?；趯?duì)海洋貝類殼體的結(jié)構(gòu)與性能的研究，可抽象出一種材料模型，即硬相與韌相交替排布的多層增韌模型。根據(jù)這一模型，人們開展了仿貝殼陶瓷增韌復(fù)合材料的研究，部分研究成果見表1。表1仿貝殼陶瓷增韌復(fù)合材料的研究成果[4]陶瓷（硬相）軟相（韌相）制備方法性能比較（疊層與整體）B4AlB4C斷裂韌性提高30%SiC石墨SiC石墨疊層熱壓成型斷裂功提高100倍SiCAlSiC/Al疊層熱壓成型斷裂韌性提高2~5倍Al2O3C纖維Al2O3/C纖維疊層熱壓燒結(jié)斷裂韌性提高1.5~2倍SiN4C纖維SiN4/C纖維疊層熱壓燒結(jié)斷裂韌性提高30~50%Al2O3芳綸增強(qiáng)樹脂Al2O3/樹脂熱壓成型斷裂功提高80倍可見仿生增韌的結(jié)果還是非常明顯的。金屬Al能在一定程度上鈍化裂紋尖端，但不能有效地阻止裂紋的穿透擴(kuò)展；石墨層可造成裂紋在界面處偏轉(zhuǎn)，但這種弱化界面的方法其止裂能力是有限的；纖維、高分子材料的止裂能力優(yōu)越，有待進(jìn)一步研究。目前，仿生增韌陶瓷的疊層尺度都在微米以上，而實(shí)際的貝類珍珠層則是納米級(jí)的微組裝結(jié)構(gòu)，正是這種特定的有機(jī)—無機(jī)納米級(jí)復(fù)合的精細(xì)結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)異的性能。實(shí)際上，納米復(fù)合材料廣泛存在于生物體(如植物和骨質(zhì))中，但直到80年代初才由Roy和KOEmmeni[19]提出納米復(fù)合材料(Nanocomposites)的概念。這種材料是由兩種或兩種以上的吉布斯固相至少在一個(gè)方向以納米級(jí)尺寸(1~l00nm)復(fù)合而成，這些固相可以是晶態(tài)、非晶態(tài)、半晶態(tài)或者兼而有之，而且可以是有機(jī)的、無機(jī)的或兩者都有。利用層狀固體的嵌入反應(yīng)特性來合成有機(jī)—無機(jī)納米復(fù)合材料近年來己引起人們的廣泛關(guān)注，所獲得的納米復(fù)合材料具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)特征和表觀協(xié)同效應(yīng)，既表現(xiàn)出無機(jī)物優(yōu)良的強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，又具備有機(jī)聚合物的斷裂性能、可加工性和介電性能。聚合物的嵌入主要有三種途徑：?jiǎn)误w原位聚合，直接熔融嵌入及聚合物從溶液中嵌入。這些方法的特點(diǎn)是利用某些無機(jī)物晶體組分單元的可重排性得到納米尺度的二維排列，再通過特有的加工將眾多數(shù)量的晶層組裝成高度有序的結(jié)構(gòu)，并分布在聚合物相中，形成性能優(yōu)異的有機(jī)—無機(jī)納米復(fù)合材料[20]。b.竹材、骨質(zhì)的外密內(nèi)疏、外硬內(nèi)韌結(jié)構(gòu)及其仿生天然竹材是典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其增強(qiáng)體一一維管束(Vascularbundle)的強(qiáng)度大約是基體的12倍，彈性模量是基體的23倍[14]。圖5竹莖的橫截面圖6竹的強(qiáng)度和密度隨距外表面距離的變化在竹莖的橫截面上維管束的分布是不均勻的（圖5），外層竹青部分致密，內(nèi)部竹肉部分逐漸變疏，內(nèi)層竹黃部分又變?yōu)榱硪环N細(xì)密的結(jié)構(gòu)，即竹材從外表面到內(nèi)表面增強(qiáng)體呈梯度分布。竹材橫截面強(qiáng)度與密度的分布曲線如圖6所示。這是一種非常合理的、能提供與風(fēng)力作用下徑向彎曲應(yīng)力相適應(yīng)的強(qiáng)度分布的優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式。按照這種復(fù)合模式設(shè)計(jì)制備的結(jié)構(gòu)仿竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其平均彎曲強(qiáng)度比具有同樣數(shù)量纖維但均勻分布的復(fù)合材料的平均強(qiáng)度提高了81%~103%[21]。動(dòng)物骨質(zhì)可稱為有機(jī)—無機(jī)納米復(fù)合材料，有機(jī)成分為膠原纖維和少量無定形基質(zhì)，約占骨重的35%；無機(jī)成分主要是控基磷灰石（Hydroxyapatite），約占骨重的65%。電鏡下磷灰石晶體呈細(xì)針狀，長(zhǎng)約20~40nm，厚約4nm[22]。骨質(zhì)中的膠原纖維成層狀排列，同一層中互相平行，相鄰兩層互成一定角度。羥基磷灰石則排列于膠原纖維之間，由基質(zhì)粘合在一起，形成堅(jiān)韌強(qiáng)硬的骨板。骨多為外密內(nèi)空，中間有骨髓。骨有松質(zhì)骨和密質(zhì)骨之分，二者同時(shí)存在時(shí)，疏密呈梯度變化。動(dòng)物軟骨由軟骨細(xì)胞、軟骨基質(zhì)和膠原纖維構(gòu)成，關(guān)節(jié)軟骨的研究表明，軟骨細(xì)胞及纖維的尺寸、分布由外向內(nèi)也呈明顯的梯度變化。龜殼結(jié)構(gòu)與動(dòng)物骨質(zhì)相似，也分為密質(zhì)層和松質(zhì)層兩部分，密質(zhì)層位于殼體的外側(cè)，羥基磷灰石以柱狀晶定向排列，中間由基質(zhì)膜相連；松質(zhì)層位于內(nèi)側(cè)，柱狀晶成束聚集、無規(guī)則分布。密質(zhì)層和松質(zhì)層二者之間無明顯界限，而是梯度漸變的[23]。這種逐漸過渡的復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅保證龜殼具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，而且與本體肌肉結(jié)合良好。C．生物體非光滑表面及其仿生生物體表面普遍存在著幾何非光滑形態(tài)，即一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)單元隨機(jī)地或規(guī)律地分布在生物體表各部位，結(jié)構(gòu)單元的形狀有鱗片形、凸包形、凹坑形、波紋形、剛毛形及復(fù)合形等。仿荷葉的衣物面料，鋼板的毛化（粗化、翅化）處理等都是對(duì)生物非光滑功能表面模仿的很好例證。汽車工業(yè)中使用的薄鋼板經(jīng)毛化處理后，變形均勻，成型性好，涂掛性好，沖壓成型廢品率大為降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。雖然發(fā)明者可能未從仿生學(xué)角度出發(fā)，但其效果卻與生物非光滑功能表面不謀而合。軋制毛化鋼板的軋輾經(jīng)激光毛化處理后，顯微組織發(fā)生變化，可能產(chǎn)生微晶、納米晶、非晶等，耐磨性提高；表面狀態(tài)變化，凸起部支撐載荷，凹下部?jī)?chǔ)存潤(rùn)滑劑，收集磨屑；非光滑表面還可對(duì)表面殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使表面裂紋焊合、鈍化，成形質(zhì)量明顯提高。2．過程仿生生物體的組成、結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)和功能，而這些結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制和形成過程的研究對(duì)材料工作者是十分重要的。海洋貝類殼體的形成就是一個(gè)奇特的礦化過程，如能模仿，則可望在常溫下合成、制造出一些具有特殊性能的材料。自然界生物從細(xì)菌、微生物到動(dòng)物、植物的體內(nèi)均可形成礦物[24]，因此，人們對(duì)生物礦化過程、鈣化過程的仿生研究給予了極大的關(guān)注[25]。各種生物體礦物礦化過程的詳細(xì)機(jī)制尚不甚清楚，但一般認(rèn)為，生物礦化是在有機(jī)基質(zhì)的指導(dǎo)下進(jìn)行的。特定的生物細(xì)胞分泌特定的基質(zhì)，而特定的基質(zhì)產(chǎn)生特定的晶體結(jié)構(gòu)?；|(zhì)作為一個(gè)有機(jī)高分子的模板塑造和生成礦物，不僅使礦化過程成核定位，而且控制結(jié)晶的生長(zhǎng)。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為礦化過程大致有四個(gè)階段：有機(jī)大分子預(yù)組織形成一個(gè)有組織的反應(yīng)環(huán)境:無機(jī)物和有機(jī)物在界面上發(fā)生由分子識(shí)別誘導(dǎo)的析出反應(yīng)從而形成礦物相的晶核；無機(jī)物的定向生長(zhǎng)和遺傳控制；無機(jī)物在細(xì)胞的參與下同有機(jī)物組裝成高級(jí)結(jié)構(gòu)。其中有機(jī)基質(zhì)及有機(jī)—無機(jī)界面的分子識(shí)別，在晶體的成核、生長(zhǎng)以及微結(jié)構(gòu)的有序組裝方面起著關(guān)鍵作用。這里涉及到有機(jī)物的官能團(tuán)排列和無機(jī)物晶格之間的匹配、靜電作用、細(xì)胞的遺傳和控制等問題，過程相當(dāng)復(fù)雜。GillseppeFalini[18]通過研究貝殼的有機(jī)成分β-甲殼素、絲心蛋白及其它可溶性大分子(糖蛋白)對(duì)CaCO3結(jié)晶的影響，探討了各成分在礦化過程中的作用。結(jié)果表明，CaCO3的結(jié)晶形態(tài)總是與被提取的原貝殼晶體結(jié)構(gòu)相一致，即從文石結(jié)構(gòu)貝殼中提取的大分子，可以使CaCO3以文石晶型結(jié)晶，對(duì)方解石亦然，當(dāng)溶液中沒有這種大分子時(shí)，則無結(jié)晶發(fā)生或只有一些球狀晶體生成。蛋殼的鈣化過程與海洋貝類礦化過程相似，有機(jī)質(zhì)與鈣離子的結(jié)合對(duì)結(jié)晶及鈣化過程有重要作用，研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)與鈣離子最可能的結(jié)合機(jī)制是整和作用。有機(jī)質(zhì)通過整和使鈣離子固定在某空間位置上而成核，CaCO3在其上沉積，進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。結(jié)晶體表面總是覆蓋著一層致密的有機(jī)高分子層，它是產(chǎn)生下層晶體的基礎(chǔ)。利用有機(jī)大分子的模板來誘導(dǎo)和控制無機(jī)礦物的形成和生長(zhǎng)，是人們從生物過程得到的啟示。某些高分子在一定條件下，依賴分子之間的作用力而自發(fā)組裝成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定整齊的分子聚集體的過程被稱為分子自組裝(Self-assembly)，該詞于80年代初由Sagiv[15]首先采用。他把載玻片浸入三氯硅烷的CCl4稀溶液中，得到了一層在SiO2表面上自組裝成的單分子膜，這可以說是生物膜的一種仿生，它有可能在室溫下把分子一層層地從小到大裝配成材料或器件。利用自組裝膜的極性功能端頭可以在金屬表面“礦化”，達(dá)到材料表面改性的目的；如果把該技術(shù)與膠體化學(xué)方法結(jié)合，則可制備出納米級(jí)的有機(jī)—無機(jī)層層相間的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。Patricia.A.[26]用CdS在聚環(huán)氧乙烷(PEO)溶液中的合成反應(yīng)來模擬生物礦化過程：CdCl2+S[Si(CH3)2]2→CdS+2Si(CH3)2Cl。其中PEO為有機(jī)相，生成的CdS為無機(jī)相，如同生物體中有機(jī)相與無機(jī)相離子的作用一樣，形成晶體復(fù)合物。在含有CdS晶核的PEO膜上可生長(zhǎng)出規(guī)則的CdS立方晶體，常溫下由小晶粒規(guī)則聚集而成，這與自然礦化過程極為相似。有機(jī)高分子作為無機(jī)晶體生長(zhǎng)的中介，并決定產(chǎn)物的形態(tài)。李恒德[24]等用乙二胺四乙酸在鈦表面上自組裝，目的是在金屬鈦表面構(gòu)筑一層羥基磷灰石，制作帶有生物活性涂層的人造關(guān)節(jié)。Mann[27]則用高分子模板組裝方法得到了CaCO3的高層結(jié)構(gòu)，結(jié)果與單細(xì)胞生物海藻的球殼十分相似。GuoYuming[28]等人通過自然礦化的理論，模仿生物礦物中丙烯酸脂鈉自我組裝的過程，合成了CaCO3，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CaCO3的形成和丙烯酸脂鈉的聚合同時(shí)發(fā)生，結(jié)果顯示丙烯酸脂鈉自我組裝的過程對(duì)CaCO3的結(jié)晶和生長(zhǎng)有一個(gè)重要的影響。目前生物礦化的研究主要集中在以下幾方面：誘導(dǎo)分子膜作為分子模板的定向成核；利用超分子組裝體系合成納米材料；微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等。過程仿生及生物礦化的研究使人們有希望獲得既有確定大小、晶形和取向，又具有聲、光、電、磁等功能的特殊晶體，為進(jìn)一步合成性能優(yōu)良的材料開辟了一個(gè)新的研究天地。3、功能仿生為適應(yīng)生存環(huán)境，天然生物材料除具有一般材料的承受載荷、耐磨防護(hù)等功能外，還有很多一般材料所沒有的功能，如防粘、降阻、自潔等，其中最重要的是自我調(diào)節(jié)功能。作為有生命的器官，生物材料能夠在一定程度上調(diào)節(jié)自身的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)，具有自組織、自適應(yīng)、自修復(fù)、自愈合、自清潔等功能。生物表皮防粘、降阻功能及其仿生自潔功能及其仿生(荷葉—不臟衣料)耐磨功能及其仿生(穿山甲鱗片、貝殼)生物活性功能及其仿生（短基磷灰石及涂層）4．智能仿生從低等生物的刺激—反應(yīng)到人類的高級(jí)智慧，自然界生物在自身漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中獲得了一種能力一一搜集、分析與處理環(huán)境信息，判斷并調(diào)整自身行為模式，以改善其對(duì)于環(huán)境適應(yīng)性的能力，即所謂生物智能。生物智能的實(shí)現(xiàn)則依賴于生物體材料的多種功能。對(duì)這些功能進(jìn)行模仿，人們開發(fā)了很多具有聲、光、電、熱、磁等直接效應(yīng)及其轉(zhuǎn)換、偶合的功能材料，將這些材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合、組裝，就發(fā)展起來一類最先進(jìn)的仿生復(fù)合材料一一智能復(fù)合材料。這是一類集成有傳感、驅(qū)動(dòng)、控制器及主體復(fù)合材料的主動(dòng)材料系統(tǒng)，亦稱之為智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(Smartorintelligentmaterialsstructure)。除了具有承載、感知、驅(qū)動(dòng)功能外，還同時(shí)具有自動(dòng)控制和計(jì)算學(xué)習(xí)的功能。其中主體復(fù)合材料類似于動(dòng)物的骨架，作用是賦形并承受載荷等；智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中感受周圍環(huán)境變化的一類材料叫傳感器，它相當(dāng)于動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)；驅(qū)使結(jié)構(gòu)自身適應(yīng)環(huán)境變化的材料叫驅(qū)動(dòng)器，作用如同動(dòng)物的肌肉一樣；而控制器的作用則相當(dāng)于動(dòng)物的大腦。用于制作傳感器的材料主要有光纖、壓電材料、電阻應(yīng)變材料、疲勞壽命元件及半導(dǎo)體元件等；用作驅(qū)動(dòng)器的材料包括形狀記憶合金、壓電材料、磁致伸縮材料、電流變體及磁流變體等；控制器則由一些微型超大規(guī)模集成電路微處理器構(gòu)成。常見的智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包括：自診斷、自適應(yīng)智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[29]。用來對(duì)結(jié)構(gòu)材料的原始缺陷及使用中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、損傷、疲勞、沖擊、結(jié)構(gòu)連接等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，作出診斷、評(píng)價(jià)并自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，提高結(jié)構(gòu)的安全性。減震、降噪智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[29]。用來抑制工程構(gòu)件在受到動(dòng)態(tài)激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和發(fā)出的噪音，這類智能結(jié)構(gòu)可分為壓電式和形狀記憶合金兩種，將其埋入結(jié)構(gòu)，感受振動(dòng)信號(hào)后改變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)阻尼，實(shí)現(xiàn)減震降噪，達(dá)到減緩結(jié)構(gòu)疲勞、延長(zhǎng)使用壽命等目的。此外還有形狀自適應(yīng)智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及智能天線復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等。智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有誘人的應(yīng)用前景，己吸引了各國(guó)的研究者爭(zhēng)相研究。美國(guó)國(guó)防部及國(guó)家科學(xué)基金會(huì)等部門向這項(xiàng)研究提供了大量的資金。美國(guó)陸軍正在實(shí)施旋翼飛行器的自適應(yīng)研究，包括減少飛行器結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)和損傷自診斷；美國(guó)海軍科研署己撥巨款研究采用智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)潛艇的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行主動(dòng)控制，還提出了軍用艦船智能表層的研究；美國(guó)空軍則規(guī)劃在2010年飛機(jī)整體實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)智能表層結(jié)構(gòu)。日本也宣布將在2010年開發(fā)出具有識(shí)別、傳遞、輸送與環(huán)境響應(yīng)功能的自適應(yīng)智能材料。我國(guó)智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究始于90年代，現(xiàn)己引起高度重視，并有專著出版[30]。該領(lǐng)域目前的研究重點(diǎn)集中在傳感、驅(qū)動(dòng)器件的研究，控制器的設(shè)計(jì)方法及信息處理方法的研究，傳感、驅(qū)動(dòng)、控制等器件與主體復(fù)合材料的偶合方式及信息傳輸方法，以及智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、修理技術(shù)等。5．綜合仿生(1)~（4）中兩種以上的綜合。一般情況下結(jié)構(gòu)仿生與功能仿生是密不可分的，功能仿生要靠結(jié)構(gòu)仿生來實(shí)現(xiàn)。三、結(jié)束語今天，生命科學(xué)和材料科學(xué)都已取得了重大的發(fā)展，二者結(jié)合衍生出的材料仿生及仿生材料已成為具有重大意義的研究方向。在繼續(xù)擴(kuò)大仿效對(duì)象的同時(shí)，要向更深的層次發(fā)展，從宏觀、細(xì)觀的觀測(cè)到微觀分析探索，再回到宏觀的實(shí)踐中去，即從仿生分析、仿生設(shè)計(jì)逐步過渡到仿生制備和工程應(yīng)用。不僅進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生，而且重視過程仿生、功能仿生、智能仿生和綜合仿生，努力向?qū)嶋H工程應(yīng)用方面發(fā)展。本人在材料仿生方面的初步試驗(yàn)1.耐磨錳鋼TiCp內(nèi)生復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)與制備天然生物材料經(jīng)過億萬年物競(jìng)天擇的進(jìn)化，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。將材料科學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合，模仿或利用某些生物體的顯微結(jié)構(gòu)、生化功能或生物合成過程是設(shè)計(jì)制造新型復(fù)合材料的有效途徑。廣義地說，由若干種理化性能不同的組分材料按一定方式、比例、分布制成的各種人造復(fù)合材料實(shí)質(zhì)上也是對(duì)天然材料的模仿，但這種模仿尚處于基體與增強(qiáng)體復(fù)合體系研究的初級(jí)仿生階段。迄今為止，真正的復(fù)合材料仿生設(shè)計(jì)和制備尚未付諸實(shí)踐[1]。本文試圖在鋼基耐磨復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗磨功能和復(fù)合工藝過程設(shè)計(jì)中與一些生物材料進(jìn)行仿生類比，以便利用來自生物材料的組成、結(jié)構(gòu)、功能和合成過程的有用信息，指導(dǎo)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、復(fù)合機(jī)理、制備工藝等研究，研制開發(fā)出性能優(yōu)異的新型耐磨復(fù)合材料。1）生物材料結(jié)構(gòu)、性能的梯度特征與表層梯度強(qiáng)化天然生物材料如：竹子、木材、骨頭、牙齒、貝殼等均具有簡(jiǎn)單的組成、精細(xì)的微觀構(gòu)造和復(fù)合材料的所有特點(diǎn)，是自然界生物長(zhǎng)期演變進(jìn)化而成的高度優(yōu)化了的天然復(fù)合材料，其綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)單一材料和人造復(fù)合材料。從材料學(xué)角度考察這些天然生物材料的構(gòu)造和性能可以看到，其組成多為硬相與韌相組合，其結(jié)構(gòu)多為外密內(nèi)疏，其性能則多為外硬內(nèi)韌，且密-疏、硬-韌從外向內(nèi)是梯度漸變的[2]，“原位自生”的增強(qiáng)體亦呈梯度分布。這就避免了由于構(gòu)造和性能突變?cè)斐傻慕缑娼Y(jié)合差、應(yīng)力分布不合理、結(jié)合部位性能不匹配等難以解決的問題，同時(shí)也符合以最少的材料、最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大效能的原理。從仿生學(xué)和摩擦學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，可以抽象出一種新型抗磨材料，即硬相與韌相復(fù)合，組織與性能在斷面上呈連續(xù)梯度變化。工作表面一側(cè)高硬度、抗磨損，而另一側(cè)高韌性、耐沖擊，其內(nèi)部合金成分、顯微組織、力學(xué)性能等在宏觀上是近似連續(xù)變化的。這樣既可同時(shí)滿足高硬度、高韌性的性能要求，又可大量節(jié)省貴重合金資源，做到“好鋼用在刀刃上”。因此，本文對(duì)所研究的鋼基耐磨復(fù)合材料做如下設(shè)計(jì)：選用碳化物中較硬的TiCp作為增強(qiáng)體，通用耐磨材料中韌性較好的奧氏體錳鋼作為基體，采用原位自生TiCp梯度復(fù)合工藝制備。由于增強(qiáng)體是從金屬基體中原位自生的熱力學(xué)穩(wěn)定相，不僅尺寸均勻細(xì)小、顆粒表面無污染、與基體潤(rùn)濕性好、界面結(jié)合強(qiáng)度高，而且省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理、和彌散加入等復(fù)雜工序，更易與工程化銜接。2）生物自適應(yīng)功能與材料磨損表面的加工硬化天然生物體具有反饋控制及自我調(diào)節(jié)的自適應(yīng)能力。如動(dòng)物通過體液和神經(jīng)系統(tǒng)能夠自動(dòng)地控制和調(diào)節(jié)自身的體溫、血壓，以適應(yīng)環(huán)境的變化、保持動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)機(jī)體受到損傷時(shí)，生物體內(nèi)的內(nèi)分泌系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分泌出一定物質(zhì)進(jìn)行填充、修復(fù)、愈合或局部再生，即生物材料具有感知、信息加工（自我診斷），自我保護(hù)、自修復(fù)、自愈合、自清潔等功能。按照物理學(xué)中耗散結(jié)構(gòu)的理論[3]，自修復(fù)、自愈合的本質(zhì)就是一個(gè)開放體系和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的自組織、自適應(yīng)過程。奧氏體耐磨錳鋼服役過程中的加工硬化與生物材料的這種自適應(yīng)有一定的相似性。磨損過程中磨粒在對(duì)材料不斷進(jìn)行沖擊、犁皺、顯微切削等造成損傷的同時(shí)，兩者亦產(chǎn)生熱能、撞擊能、變形能的交換，使材料表面產(chǎn)生加工硬化以抵抗磨粒的磨損。關(guān)于奧氏體耐磨錳鋼加工硬化的機(jī)理至今尚無定論，最新的解釋是沖擊造成位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、ε馬氏體、α馬氏體的強(qiáng)化作用，或位錯(cuò)、層錯(cuò)、形變誘發(fā)馬氏體、形變孿晶和彌散析出微細(xì)碳化物等綜合作用所致[4]。其中形變誘發(fā)馬氏體的相變強(qiáng)化和第二相硬質(zhì)點(diǎn)阻礙滑移、增殖位錯(cuò)的強(qiáng)化作用已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。眾所周知，普通高錳鋼中奧氏體非常穩(wěn)定，在強(qiáng)烈沖擊工況下亦很難發(fā)生馬氏體相變。因此，降低奧氏體的穩(wěn)定性，促進(jìn)服役過程中奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變對(duì)提高材料耐磨性有重要意義。對(duì)Fe-C-Mn合金固溶處理組織圖的研究[5]表明，降低C、Mn含量可降低奧氏體穩(wěn)定性、促進(jìn)形變誘發(fā)馬氏體的產(chǎn)生。在Mn4～28%，C0～3%范圍內(nèi)，隨C、Mn含量的變化鐵碳錳合金經(jīng)1000℃固溶處理后組織依次為αM+A殘（雙相錳鋼），A介（介穩(wěn)定奧氏體錳鋼），A(穩(wěn)定奧氏體錳鋼）和A+(FeMn)3C(帶有碳化物的奧氏體錳鋼）。選擇合適的基體合金成分，并于凝固過程中在耐磨一側(cè)加入一定量鈦鐵合金使之與基體中的碳作用，一方面生成大量彌散分布的TiC顆粒作為增強(qiáng)相，另一方面降低該處基體的含碳量使其成分進(jìn)入介穩(wěn)定奧氏體區(qū)，服役過程中稍有沖擊，就會(huì)誘發(fā)馬氏體相變，使材料自身的強(qiáng)度和硬度提高。奧氏體穩(wěn)定性越低，服役工況越惡劣，形變誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體越多，材料抵抗磨損、保護(hù)自身的能力越強(qiáng)。從這種意義上講，所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料可以“感知3）生物礦化過程與環(huán)瀑懸鑄復(fù)合工藝具有很高抗壓強(qiáng)度及耐磨性的海洋貝類的殼體由較硬的碳酸鈣和較韌的有機(jī)基質(zhì)構(gòu)成，其合成（礦化）過程一般被認(rèn)為是在基質(zhì)指導(dǎo)下進(jìn)行的，基質(zhì)作為“模板”使礦化過程定位形核，并控制碳酸鈣的結(jié)晶生長(zhǎng)方式及生長(zhǎng)速度，特定的基質(zhì)產(chǎn)生特定的晶體結(jié)構(gòu)?；|(zhì)的合成又是在細(xì)胞的指導(dǎo)下進(jìn)行的，特定的細(xì)胞分泌特定的基質(zhì)。而細(xì)胞的分裂又受空于基因，即生物體結(jié)構(gòu)的成形屬于一種基因生長(zhǎng)型[6]。在各種基因控制下，細(xì)胞并行分裂發(fā)育生長(zhǎng)出各種結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出遺傳和變異。與上述過程類比設(shè)計(jì)了一種環(huán)瀑懸鑄梯度復(fù)合工藝。生成TiCp增強(qiáng)體的鈦鐵顆粒作為“攜帶某種基因的細(xì)胞”，在鋼凝固過程中彌散加入，并隨充型凝固過程的進(jìn)行不斷改變其加入量。進(jìn)入鋼液的鈦鐵顆粒在高溫作用下熔化、“分裂”，與鋼中的碳、氮等生成化合物，彌散分布于鋼液中。一方面，鈦鐵顆粒作為微型冷鐵吸收熱量，加快結(jié)晶速度，使鋼液降溫、增粘、保持調(diào)配出的成分梯度，并與固/液界面交互作用，影響晶體生長(zhǎng)方式及其形態(tài)。另一方面，Ti與鋼中的C發(fā)生冶金反應(yīng)生成的TiC可作為奧氏體結(jié)晶的異質(zhì)核心或形核基底，細(xì)化晶粒，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。同時(shí)，加入的鈦鐵顆粒本身的狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料基體的形成有遺傳效應(yīng)，加入的數(shù)量亦可間接控制材料的凝固速度。對(duì)于奧氏體耐磨錳鋼來說，TiC在凝固過程中的生成，要消耗鋼中的碳，從而阻止MC3型晶界碳化物的形成，大大改善其鑄態(tài)沖擊韌性?，F(xiàn)有的TiCp增強(qiáng)鋼、鐵基復(fù)合材料制備工藝都是通過一個(gè)配制好適當(dāng)成分的、能析出TiC顆粒的Fe-C-Ti合金熔體的凝固來制備，即Ti是在合金熔煉過程中加入的，其優(yōu)點(diǎn)是可獲得大體積分?jǐn)?shù)的TiCp增強(qiáng)相。但同時(shí)也帶來一些難以解決的問題：由于是熔煉過程中加入，Ti的燒損嚴(yán)重，熔體粘度高、流動(dòng)性差、充型困難，因此要提高熔化溫度，不僅浪費(fèi)能源而且進(jìn)一步增加Ti的燒損。生成的TiC長(zhǎng)大時(shí)間長(zhǎng)、顆粒粗大，影響強(qiáng)化效果、降低材料性能。且只能整體復(fù)合、成本較高，難以在近期實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。而新工藝直接選取通用工程材料作基體，大部分Ti在合金充型凝固過程中彌散加入，解決了熔體粘度高、充型困難、TiC顆粒粗大等難題，并可進(jìn)行表層梯度強(qiáng)化或局部強(qiáng)化，易于實(shí)現(xiàn)工程化。其缺點(diǎn)是TiCp的體積分?jǐn)?shù)不可過高，否則易產(chǎn)生鑄造缺陷。4）新型復(fù)合材料的組織與性能2.瞬態(tài)高能量非平衡仿生處理模具鋼熱疲勞恢復(fù)及損傷愈合一、研究的目的、意義和成果的預(yù)計(jì)去向疲勞失效是工程構(gòu)件最主要的破壞形式之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效約有80%為疲勞損傷[1,2]。隨著工業(yè)化規(guī)模的迅速擴(kuò)大，服役于高溫的材料應(yīng)用范圍也越來越大，且變溫邊界向更高上限和更低下限溫度發(fā)展，由此造成零件和結(jié)構(gòu)由交變溫度及循環(huán)載荷造成的熱疲勞或熱機(jī)械疲勞破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重。我國(guó)每年由各種疲勞失效所造成的損失達(dá)數(shù)億元，損失是十分驚人的。金屬材料疲勞損傷的微觀機(jī)制非常復(fù)雜，多少年來，人們都在致力于疲勞損傷行為和失效機(jī)理的研究，并通過調(diào)整材料的化學(xué)成分、改進(jìn)制造工藝和零件結(jié)構(gòu)等方法來改善其微觀組織和受力狀態(tài)、提高力學(xué)性能、減緩和阻止疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，以延長(zhǎng)零件的使用壽命。如果說材料的疲勞損傷意味著失效，則其疲勞恢復(fù)及損傷愈合將導(dǎo)致復(fù)效，但迄今為止，對(duì)材料疲勞損傷失效的相反過程—材料的疲勞恢復(fù)、損傷愈合的復(fù)效過程卻研究甚少。從材料仿生學(xué)的角度來看，生命體是一個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)的開放體系，其疲勞或損傷能夠通過從外界補(bǔ)充能量和物質(zhì)，經(jīng)過自組織過程而修復(fù)或再生，因而壽命可比無補(bǔ)充時(shí)成千百倍地延長(zhǎng)。工程材料雖無生命可言，但其承受載荷、遭受損傷時(shí)也可看成是與外界有能量交換的開放體系，當(dāng)其中疲勞產(chǎn)生的微觀缺陷還沒有聚集到產(chǎn)生裂紋時(shí)就輸入適當(dāng)?shù)哪芰?，進(jìn)行仿生處理，既不損壞正常結(jié)構(gòu)，又可使疲勞部位馳豫恢復(fù)，損傷部位重組修復(fù)，以達(dá)到控制材料失效或延長(zhǎng)部件使用壽命的目的。對(duì)比生物機(jī)體損傷愈合模式和金屬材料疲勞時(shí)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，可知其物理本質(zhì)都是一開放體系和周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換并進(jìn)行自組織的過程。這一共同的物理過程使我們有可能通過適當(dāng)處理來實(shí)現(xiàn)金屬材料的疲勞恢復(fù)和損傷愈合。本研究的目的就是從廣義的過程仿生原理出發(fā)，以熱作模具鋼的熱疲勞或熱機(jī)械疲勞損傷恢復(fù)為研究對(duì)象，采用瞬態(tài)高能量仿生處理來消除疲勞，修復(fù)損傷，探討超短時(shí)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中引發(fā)的一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律，建立相關(guān)的理論體系和結(jié)構(gòu)模型，深入研究材料疲勞恢復(fù)和損傷愈合的作用機(jī)制，優(yōu)化處理工藝，為大幅度提高模具的使用壽命提供新的理論依據(jù)和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用技術(shù)。模具是機(jī)械制造業(yè)最重要的工藝裝備，由于型腔復(fù)雜，加工困難、耗能費(fèi)時(shí)，因此價(jià)格昂貴，有“黑色黃金”之稱。我國(guó)每年消耗模具數(shù)萬噸，價(jià)值數(shù)億元。熱作模具中由于熱機(jī)疲勞而導(dǎo)致失效者占模具失效總量的60－70％[3]，是模具失效報(bào)廢的主要原因之一。因此，本研究直接面向模具行業(yè)，擬在模具疲勞失效之前，施以有效的處理，使疲勞者恢復(fù)，損傷者愈合，正常者改進(jìn)，從而成倍地提高模具的使用壽命。本研究如獲成功，將在模具制造和使用企業(yè)之間建立起“生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)”，在模具制造、使用、失效、復(fù)效和再生等整個(gè)材料循環(huán)周期中節(jié)省資源和能源、減少污染、促進(jìn)模具行業(yè)的綠色生態(tài)制造、回用和可持續(xù)發(fā)展，具有重大的科學(xué)理論價(jià)值與國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義。二、研究課題所涉及的科學(xué)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外達(dá)到的水平，存在的主要問題；本課題的學(xué)術(shù)思想、理論根據(jù)、主攻關(guān)鍵及獨(dú)到之處。1．所涉及的科學(xué)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外達(dá)到的水平本研究課題涉及材料、物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、電磁學(xué)、仿生學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉、具有重大科學(xué)理論意義和技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究領(lǐng)域。由于疲勞損傷造成工程構(gòu)件失效的普遍性和嚴(yán)重性，金屬材料疲勞損傷行為和失效機(jī)理的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。與材料壽命相關(guān)的熱應(yīng)力分析、力學(xué)行為、疲勞損傷的微觀機(jī)制及疲勞壽命預(yù)測(cè)等已有大量的研究報(bào)道，并取得了很好效果[4]。但這些研究多注重于材料疲勞損傷失效中裂紋的萌生與擴(kuò)展及材料力學(xué)性能的提高，對(duì)材料疲勞損傷失效的相反過程——材料的疲勞恢復(fù)、損傷愈合的復(fù)效過程卻研究較少。已見報(bào)道的材料損傷愈合方法主要包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)處理[5]，中途加熱回火[6]等，后者效果較好，但需長(zhǎng)時(shí)間加熱，耗能費(fèi)時(shí)，且有可能損害材料其它性能，有一定局限性。1963年蘇聯(lián)學(xué)者O.A.Troitskii和V.I.Likhtman報(bào)導(dǎo)了電流能夠改變金屬晶體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的遷移率，隨后他們研究發(fā)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行電脈沖處理可產(chǎn)生電塑性效應(yīng)，有利于提高材料疲勞壽命[7.8]。美國(guó)學(xué)者H.Conrad等[9]和賴祖涵等[10]發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理有利于提高多晶銅的疲勞壽命，降低沿晶斷裂傾向，并探討了電流處理對(duì)固態(tài)相變的影響[11]。周本濂等研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理可改善鋁箔的強(qiáng)度和塑性，阻滯鈦合金裂紋擴(kuò)展，使碳鋼中疲勞損傷恢復(fù)等[12-14]。脈沖電流在材料電致塑性、裂紋愈合、晶粒細(xì)化和非晶晶化等方面的研究均有報(bào)道[15-18]。上述研究為材料的疲勞恢復(fù)及損傷愈合提供了一個(gè)有效途徑——瞬態(tài)高能量非平衡仿生處理。目前利用脈沖電流提高材料疲勞壽命的研究多集中在損傷的修復(fù)、愈合方面，主要是利用脈沖電流產(chǎn)生的瞬態(tài)能量使裂紋尖端鈍化止裂或使裂紋愈合，在這個(gè)領(lǐng)域中國(guó)科學(xué)院金屬材料研究所、燕山大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院材料物理中心、吉林大學(xué)等做了較多研究工作[19~35]，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但上述研究均處于微小樣品試驗(yàn)探索階段，根本機(jī)制還有待于深入系統(tǒng)地研究；而直接針對(duì)工程構(gòu)件中未發(fā)生明顯損傷的疲勞組織的機(jī)能恢復(fù)、進(jìn)而提高其使用壽命方面的研究尚鮮見報(bào)道。2．存在的主要問題金屬材料疲勞損傷的微觀機(jī)制非常復(fù)雜，而由載荷及溫度循環(huán)疊加造成的熱疲勞或熱機(jī)械疲勞損傷機(jī)制則更為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要集中在材料室溫機(jī)械疲勞裂紋鈍化、止裂與損傷愈合方面，對(duì)瞬態(tài)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中引發(fā)的一系列瞬時(shí)非平衡動(dòng)態(tài)過程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律均缺乏深刻的了解，相關(guān)的理論體系和結(jié)構(gòu)模型尚需建立和完善。瞬態(tài)過程可能產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)，磁壓縮效應(yīng)，集膚效應(yīng)，收縮膨脹效應(yīng)，電子風(fēng)沖擊和電遷移效應(yīng)以及這些效應(yīng)綜合作用產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓、輸運(yùn)過程等如何影響材料的位錯(cuò)組態(tài)、應(yīng)力分布、組織回復(fù)、再結(jié)晶以及損傷部位的組織變化等作用機(jī)制和變化規(guī)律均不清楚。申請(qǐng)者在前期的研究工作中還發(fā)現(xiàn)，不同工藝參數(shù)的電脈沖處理（脈沖電壓、電流密度、脈沖電流的脈寬和作用時(shí)間等）對(duì)熱作模具鋼熱疲勞壽命的影響有所不同，處理得當(dāng)將使材料的疲勞壽命成倍提高，若處理不當(dāng)則無任何效果，甚至?xí)龠M(jìn)熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，使壽命降低。因此處理工藝參數(shù)的選取原則和優(yōu)化方法也是急需解決的重要問題。3．本課題的學(xué)術(shù)思想、理論根據(jù)一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)通過與外界交換能量和物質(zhì)，在外界條件變化達(dá)到一定閾值時(shí)，能從原來無序狀態(tài)變成時(shí)間、空間、功能的有序狀態(tài)，這種非平衡條件下通過自組織過程形成的新的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。生命體在運(yùn)動(dòng)中消耗、補(bǔ)充和發(fā)育，其疲勞與休息、損傷與愈合都表現(xiàn)出開放體系耗散結(jié)構(gòu)自我調(diào)節(jié)自我修復(fù)的種種特征。與此類比，無生命的工程材料在其承受載荷、遭受損傷時(shí)也發(fā)生了與外界的能量與物質(zhì)的交換，并以晶格畸變、位錯(cuò)滑動(dòng)和攀移、回復(fù)與再結(jié)晶、局部相變或塑性變形等來進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。疲勞損傷是在循環(huán)載荷作用下材料內(nèi)部的能量非平衡升高、細(xì)微結(jié)構(gòu)的劣化及各種缺陷的積累，裂紋的萌生則是大量位錯(cuò)缺陷產(chǎn)生和塞積，造成應(yīng)力集中的結(jié)果。當(dāng)其中疲勞產(chǎn)生的微觀缺陷還沒有聚集到產(chǎn)生裂紋時(shí)，體系處于一種非平衡的不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，以適當(dāng)方式輸入達(dá)到一定閾值的能量，進(jìn)行仿生處理，既不損壞正常結(jié)構(gòu)，又可使疲勞部位馳豫恢復(fù)，損傷部位重組修復(fù)，即可達(dá)到控制材料失效或延長(zhǎng)部件使用壽命的目的。材料的電導(dǎo)率具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)敏感性。當(dāng)金屬材料內(nèi)部發(fā)生微小的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生缺陷時(shí)，由于局部電阻率增大和繞流作用，脈沖電流將迅速阻止并消除這種轉(zhuǎn)變，同時(shí)對(duì)正常組織影響很小，體現(xiàn)出一種自動(dòng)選擇、智能化修復(fù)的特征。這種疲勞恢復(fù)、損傷愈合的驅(qū)動(dòng)力正是來自瞬態(tài)高能量電脈沖非平衡處理過程中產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)、集膚效應(yīng)、收縮膨脹效應(yīng)、電子風(fēng)沖擊和電遷移效應(yīng)以及這些效應(yīng)綜合作用產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓、輸運(yùn)過程等。4．本課題的主攻關(guān)鍵超短時(shí)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)非平衡過程及其伴生現(xiàn)象的表述，瞬態(tài)高溫、高壓、電遷移等綜合效應(yīng)對(duì)熱疲勞組織中熱量、動(dòng)量、質(zhì)量傳輸過程的影響規(guī)律；在脈沖電流瞬時(shí)作用下熱疲勞未失效組織中位錯(cuò)組態(tài)、應(yīng)力分布、回復(fù)與再結(jié)晶等變化規(guī)律，不同電脈沖處理參數(shù)對(duì)模具鋼熱疲勞過程中裂紋萌生、擴(kuò)展與形態(tài)演變的影響規(guī)律及其作用機(jī)制，材料疲勞恢復(fù)的本質(zhì)；脈沖電流瞬時(shí)作用時(shí)損傷部位或裂紋尖端溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化關(guān)系、裂紋愈合過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件，脈沖電流促使裂紋鈍化止裂和損傷愈合的作用機(jī)制以及非平衡處理引起的微區(qū)相變、局部失效組織演變規(guī)律；脈沖電流對(duì)模具鋼正常與非正常微觀組織和力學(xué)性能的影響，相關(guān)理論體系、結(jié)構(gòu)模型的建立和熱疲勞損傷程度的物理表征，動(dòng)態(tài)過程模擬，脈沖電流作為瞬態(tài)能量輸入促使所選模具鋼材料熱疲勞恢復(fù)和損傷愈合的臨界閾值的計(jì)算，工藝參數(shù)的優(yōu)化以及材料組織結(jié)構(gòu)種類、熱疲勞損傷程度與脈沖能量補(bǔ)給三者之間關(guān)系的建立。5．本研究的獨(dú)到之處從廣義的過程仿生原理出發(fā)，以熱作模具鋼的熱疲勞或熱機(jī)械疲勞損傷恢復(fù)為研究對(duì)象，采用瞬態(tài)高能量非平衡仿生處理來實(shí)現(xiàn)材料疲勞失效的相反過程——材料的疲勞恢復(fù)及損傷愈合；建立新的理論體系和結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)研究超短時(shí)高能量電脈沖作用下固體金屬材料中引發(fā)的一系列瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過程及其伴生現(xiàn)象和局部組織演變規(guī)律，揭示瞬態(tài)高溫、高壓、電遷移等綜合效應(yīng)對(duì)熱疲勞組織中熱量、動(dòng)量、質(zhì)量傳輸過程的影響規(guī)律和不同類型材料疲勞恢復(fù)、損傷愈合過程中呈現(xiàn)的共性規(guī)律；通過學(xué)科交叉、動(dòng)態(tài)模擬等建立熱疲勞損傷過程、損傷程度及疲勞恢復(fù)、損傷愈合過程和程度的物理表征方法，研究超短時(shí)瞬態(tài)加熱金屬材料中的非平衡固態(tài)相變動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶、裂紋愈合等過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件以及非平衡處理引起的位錯(cuò)組態(tài)、應(yīng)力分布變化、微區(qū)相變、局部失效組織演變、疲勞恢復(fù)、裂紋鈍化、愈合等作用機(jī)制；確定瞬時(shí)高能量電脈沖處理工藝參數(shù)的選取原則和優(yōu)化方法，優(yōu)化處理工藝，為大幅度提高模具的使用壽命提供新的理論依據(jù)和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用技術(shù)。

十大仿生技術(shù)：新干線列車模仿鳥喙據(jù)美國(guó)《心理絨毛》雜志報(bào)道，從古至今，人類一直在從大自然吸取靈感。維可牢尼龍搭扣即是研究人員受野薊鉤刺啟發(fā)開發(fā)出來的，而第一代道路反射鏡也是模仿貓眼結(jié)構(gòu)制造的。今天，模仿大自然的科學(xué)(即生體模仿學(xué))已成為一個(gè)產(chǎn)值達(dá)十億美元的行業(yè)。以下是我們?nèi)祟悘膭?dòng)物王國(guó)“偷學(xué)”的十大技術(shù)。

1.塑料涂層(偷學(xué)對(duì)象：鯊魚)

基于鯊魚皮開發(fā)出的一種塑料涂層，目前正在醫(yī)院患者接觸頻率最高的一些地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

細(xì)菌感染恐怕是最令醫(yī)院頭疼的一件事，無論醫(yī)生和護(hù)士洗手的頻率有多高，他們?nèi)圆粩鄬⒓?xì)菌和病毒從一個(gè)患者傳到另一個(gè)患者身上，盡管不是故意的。事實(shí)上，美國(guó)每年有多達(dá)10萬人死于他們?cè)卺t(yī)院感染的細(xì)菌疾病。但是，鯊魚卻可以讓自己的身體長(zhǎng)久保持清潔——長(zhǎng)達(dá)一億多年。如今，正是由于鯊魚這一特性，細(xì)菌感染可能會(huì)重蹈恐龍的覆轍——從地球上徹底消失。

與其他大型海洋動(dòng)物不同，鯊魚身體不會(huì)積聚黏液、水藻和藤壺。這一現(xiàn)象給工程師托尼·布倫南(TonyBrennan)帶來了無窮靈感，在2003年最早了解到鯊魚的特性以后，他多年來一直在嘗試為美國(guó)海軍艦艇設(shè)計(jì)更能有效預(yù)防藤壺的涂層。在對(duì)鯊魚皮展開進(jìn)一步研究以后，他發(fā)現(xiàn)鯊魚整個(gè)身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲，就像是一層由小牙織成的毯子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地，而這樣一來，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細(xì)菌也就沒有了棲身之所。

一家叫Sharklet的公司對(duì)布倫南的研究很感興趣，開始探索如何用鯊魚皮開發(fā)一種排斥細(xì)菌的涂層材料。今天，該公司基于鯊魚皮開發(fā)出一種塑料涂層，目前正在醫(yī)院患者接觸頻率最高的一些地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比如開關(guān)、監(jiān)控器和把手。迄今為止，這種技術(shù)看上去確實(shí)可以趕走細(xì)菌。Sharklet公司還有更宏偉的目標(biāo)：下一步是開發(fā)一種可以消除另一個(gè)常見感染源——尿液管——的塑料涂層。

2.音波手杖(偷學(xué)對(duì)象：蝙蝠)

音波手杖

這聽上去就像一個(gè)糟糕玩笑的開頭：一位大腦專家、一位生物學(xué)家和一位工程師走進(jìn)了同一家餐廳。然而，這種事情確實(shí)發(fā)生在英國(guó)利茲大學(xué)，幾個(gè)不同領(lǐng)域的專家的突發(fā)奇想最終導(dǎo)致音波手杖(Ultracane)的問世：這是一種盲人用的手杖，在靠近物體時(shí)會(huì)振動(dòng)。這種手杖采用了回聲定位技術(shù)，而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統(tǒng)去感知周圍環(huán)境。音波手杖能以每秒6萬個(gè)的速度發(fā)送超聲波脈沖，并等待它們返回。

當(dāng)一些超聲波脈沖回來的時(shí)間超過別的超聲波脈沖時(shí)，這表明附近有物體，引起手杖產(chǎn)生震動(dòng)。利用這種技術(shù)，音波手杖不僅可以“看到”地面物體，如垃圾桶和消防栓，還能感受到頭頂?shù)氖挛?，比如樹杈。由于音波手杖的信息輸出和反饋都不?huì)發(fā)出聲音，使用者依舊能聽到周圍發(fā)生的事情。盡管音波手杖并未出現(xiàn)顧客排隊(duì)購(gòu)買的熱賣景象，但美國(guó)和新西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術(shù)，開發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品。

3.新干線列車(偷學(xué)對(duì)象：翠鳥)日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥喙一樣的車頭，令其相對(duì)安靜地離開隧道。

日本第一列新干線列車在1964年建造出來的時(shí)候，它的速度達(dá)到每小時(shí)120英里(約合每小時(shí)193公里)。但是，如此快的速度卻有一個(gè)不利方面，列車駛出隧道時(shí)總會(huì)發(fā)出震耳欲聾的噪音，乘客抱怨說有一種火車擠到一起的感覺。這時(shí)，日本工程師中津英治(EijiNakatsu)介入了這件事。中津英治還是一位鳥類愛好者，他發(fā)現(xiàn)新干線列車總在不斷推擠前面的空氣，形成了一堵“風(fēng)墻”。

當(dāng)這堵墻同隧道外面的空氣相碰撞時(shí)，便產(chǎn)生了震耳欲聾的響聲，這本身對(duì)列車施加了巨大的壓力。中津英治在對(duì)這個(gè)問題仔細(xì)分析之后，意識(shí)到新干線必須要像跳水運(yùn)動(dòng)員入水一樣“穿透”隧道。為了獲取靈感，他開始研究善于俯沖的鳥類——翠鳥的行為。翠鳥生活在河流湖泊附近高高的枝頭上，經(jīng)常俯沖入水捕魚，它們的喙外形像刀子一樣，瞬間穿越空氣，從水面穿過時(shí)幾乎不產(chǎn)生一點(diǎn)漣漪。

中津英治對(duì)不同外形的新干線列車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)迄今最能穿透那堵風(fēng)墻的外形幾乎同翠鳥的喙外形一樣?，F(xiàn)在，日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥喙一樣的車頭，令其相對(duì)安靜地離開隧道。事實(shí)上，外形經(jīng)過改進(jìn)的新干線列車的速度比以前快10%，能效高出15%。

4.風(fēng)扇葉片(偷學(xué)對(duì)象：駝背鯨)

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)西切斯特分校流體動(dòng)力學(xué)專家、海洋生物學(xué)家弗蘭克·費(fèi)什(FrankFish)教授表示，他從海洋深處找到了解決當(dāng)前世界能源危機(jī)的辦法。費(fèi)什注意到，駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務(wù)。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起，它們?cè)谒驴梢粤铞L魚輕松在海洋中游動(dòng)。但是，根據(jù)流體力學(xué)原則，這些隆起應(yīng)該會(huì)是鰭的累贅，但現(xiàn)實(shí)中卻幫助鯨魚游動(dòng)自如。

于是，費(fèi)什決定對(duì)此展開調(diào)查。他將一個(gè)12英尺(約合3.65米)長(zhǎng)的鰭狀肢模型放入風(fēng)洞，看它挑戰(zhàn)我們對(duì)物理學(xué)的理解。這些名為結(jié)節(jié)的隆起使得鰭狀肢更符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。費(fèi)什發(fā)現(xiàn)，它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經(jīng)過的空氣分成不同部分，就像是刷毛穿過空氣一樣。費(fèi)什的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在叫做“結(jié)節(jié)效應(yīng)”(tubercleeffect)，不僅能用于各種水下航行器，還應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的葉片和機(jī)翼。

根據(jù)這項(xiàng)研究，費(fèi)什為風(fēng)扇設(shè)計(jì)出邊緣有隆起的葉片，令其空氣動(dòng)力學(xué)效率比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提升20%左右。他還成立了一家公司專門生產(chǎn)這種葉片，不久將開始申請(qǐng)使用其節(jié)能技術(shù)，用以改善全世界工廠和辦公大樓的風(fēng)扇性能。費(fèi)什技術(shù)的更大用途則是用于風(fēng)能。他認(rèn)為，在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片增加一些隆起，將使風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變革，令風(fēng)力的價(jià)值比以前任何時(shí)候都重要。

5.在水面行走的機(jī)器人(偷學(xué)對(duì)象：蛇怪蜥蜴)

蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”

蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”(JesusChristlizard)，這種稱呼還是有一定道理的，因?yàn)樗茉谒献?。很多昆蟲具有類似本領(lǐng)，但它們一般身輕如燕，不會(huì)打破水面張力的平衡。體形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因?yàn)樗芤院线m的角度擺動(dòng)兩條腿，令身體向上挺、向前沖。2003年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人技術(shù)教授梅廷·斯蒂(MetinSitti)正從事這方面的教學(xué)工作，重點(diǎn)是研究自然界存在的機(jī)械力學(xué)。當(dāng)他在課堂以蛇怪蜥蜴作為奇特的生物力學(xué)案例時(shí)，他深受啟發(fā)，決定嘗試制造一個(gè)具有相同本領(lǐng)的機(jī)器人。

這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。發(fā)動(dòng)機(jī)的重量不僅要足夠的輕，腿部還必須一次次地與水面保持完美接觸。經(jīng)過幾個(gè)月的努力，斯蒂和他的學(xué)生終于造出第一個(gè)能在水面行走的機(jī)器人。盡管如此，斯蒂的設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步完善。這個(gè)機(jī)械裝置偶爾會(huì)翻滾，沉入水中。在他克服了重重障礙以后，一種能在陸地和水面奔跑的機(jī)器人便可能見到光明的未來。我們或許可以用它去監(jiān)測(cè)水庫中的水質(zhì)，甚至在洪水期間幫助營(yíng)救災(zāi)民。

6.太陽能電池板(偷學(xué)對(duì)象：馬勃菌)

橙黃色的馬勃菌海綿(puffballsponge)并不多見，它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”

橙黃色的馬勃菌海綿(puffballsponge)并不多見，它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”。馬勃菌海綿并沒有任何的附肢、器官、消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，無時(shí)無刻不在過濾水體。然而，這種并不招搖的生物或許會(huì)是未來技術(shù)革命的催化劑。馬勃菌海綿的“骨骼”是由眾多格子狀的硅鈣物質(zhì)構(gòu)成，事實(shí)上，它類似于我們用以制造太陽能電池板、微芯片和電池的材料，但有一點(diǎn)不同：我們?cè)谥圃爝@些材料時(shí)需要大量能量和各種各樣的有毒化學(xué)物質(zhì)。

海綿顯然在這方面做得更好：它們只要向水中釋放特殊的酶，從中吸收硅鈣，就能把這兩種化學(xué)物質(zhì)變成需要的外形。美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校生物技術(shù)教授丹尼爾·摩斯(DanielMorse)研究了馬勃菌海綿酶的特性，并在2006年成功進(jìn)行了復(fù)制。他通過清潔、效率很高的海綿技術(shù)制出大量電極。當(dāng)前，多家公司將投資數(shù)百萬美元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟，將類似產(chǎn)品推向市場(chǎng)。幾年以后，當(dāng)太陽能電池板忽然出現(xiàn)在美國(guó)每家每戶的屋頂上，微芯片只賣幾美元的時(shí)候，千萬不要忘了感謝讓這一切成為現(xiàn)實(shí)的不起眼的馬勃菌。

7.多刃鋸(偷學(xué)對(duì)象：樹蜂)

不要害怕樹蜂屁股上兩根像鞭子一樣的大大的針狀物。它們不是刺兒，而是“鉆頭”。樹蜂利用這些針狀物(有時(shí)比整個(gè)身體還長(zhǎng))在樹上鉆洞，然后在里面“寄存”幼仔。多年來，生物學(xué)家一直不清楚樹蜂“鉆頭”的用法。與需要外力的傳統(tǒng)鉆洞方法不同，樹蜂可以從任何角度毫不費(fèi)力地鉆洞。經(jīng)過幾年的研究，科學(xué)家最終發(fā)現(xiàn)，樹蜂的兩根針狀物可以深入木頭，然后像拉鏈一樣鎖起來鋸東西。

英國(guó)巴斯大學(xué)的天文學(xué)家認(rèn)為，樹蜂的“鉆頭”在太空大有用武之地。長(zhǎng)久以來，科學(xué)家為了在火星上尋找生命，他們必須在火星表面鑿洞。但是，在幾乎沒有重力的火星環(huán)境下，他們不清楚是否能找到可以在堅(jiān)硬表面鑿洞的壓力。受樹蜂的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)出一種一側(cè)有多余刀刃的鋸子，讓它們像樹蜂的“鉆頭”一樣互相推。從理論上講，這套裝置可以用于在無任何重力的流星的表面鑿洞。

8.X光透視機(jī)(偷學(xué)對(duì)象：龍蝦)

X光透視機(jī)大而笨重是有原因的，與可見光不同，X光不喜歡彎曲，所以難以操作。我們對(duì)機(jī)場(chǎng)包裹以及醫(yī)院患者進(jìn)行掃描的唯一途徑是，用一連串放射物同時(shí)轟擊他們——這便需要儀器的個(gè)頭很大。但是，生活在水下300英尺(約合90米)處的龍蝦卻具有“X光視線”，而且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的X光透視機(jī)。與人眼(必須由大腦解讀所折射的圖像)不同，龍蝦可以直接看到反射的圖像，將其聚焦于某一個(gè)點(diǎn)，全部在此聚集以后形成圖像。

科學(xué)家多年來就試圖找到“偷學(xué)”龍蝦這種技巧的方法，用于制造新型的X光透視機(jī)。“龍蝦眼X光成像儀”(LEXID)是一種便攜式“手電筒”，可以看穿3英寸(約合8厘米)厚的鋼板。這套儀器可以射出一串細(xì)細(xì)的低功耗X光穿透物體，無論碰到什么東西，都會(huì)在另一端恢復(fù)原狀。正如在龍蝦的眼睛一樣，返回的信號(hào)通過小管中轉(zhuǎn)生成圖像。美國(guó)國(guó)土安全部已投資100萬美元用于“龍蝦眼X光成像儀”的研發(fā)，希望用它去探測(cè)違禁物品。

9.保存疫苗(偷學(xué)對(duì)象：還魂植物和水熊蟲)

當(dāng)事情不妙的時(shí)候，裝死顯然是不錯(cuò)的選擇。這是大自然兩種最具耐力的生物——還魂植物和水熊蟲——的座右銘?？茖W(xué)家或許會(huì)利用這兩種生物的驚人生物化學(xué)特性，用于拯救發(fā)展中國(guó)家的數(shù)百萬條生命。還魂植物(Resurrectionplan)是指在干旱時(shí)節(jié)枯萎，看上去枯死一樣的沙漠苔蘚。可一旦下雨，它們會(huì)再次生機(jī)勃發(fā)，好像一切都沒有發(fā)生似的。水熊蟲具有類似的裝死本領(lǐng)，這種只能在顯微鏡下看到的動(dòng)物會(huì)在某一段時(shí)間內(nèi)停止一切活動(dòng)，承受對(duì)人類來說最為殘酷的環(huán)境。

它們可以在接近絕對(duì)零度和300華氏度以上的極端溫度下存活，一滴水不喝也能活上十年，承受輻射的能力是地球上其他動(dòng)物的1000倍，甚至還能在真空狀態(tài)下存活。在正常條件下，水熊蟲看上去就像是四肢胖乎乎的睡袋，可一旦遭遇極端條件，它們便像霜打的茄子一樣枯萎。如果環(huán)境重新回歸正常，小家伙只要一點(diǎn)兒水就又能煥發(fā)生機(jī)。還魂植物和水熊蟲生存之道在于冬眠。在此期間，它們會(huì)用一種糖(最終變得如玻璃般堅(jiān)硬)替代體內(nèi)所有水分，結(jié)果令其陷入一種假死狀態(tài)。

盡管這種方法不適于人類——用糖取代血液中的水分會(huì)令我們一命嗚呼，但的確可以用于保存疫苗。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，全世界每年有200萬兒童死于疫苗本身可以阻止的疾病，如白喉、破傷風(fēng)、百日咳。因?yàn)橐呙缇哂幸恍┗钗镔|(zhì)，一旦遭遇溫度過高的環(huán)境會(huì)立即死去，所以，將疫苗安全送達(dá)需要它們的地方極為困難。這也是英國(guó)一家公司從還魂植物和水熊蟲的生活習(xí)性吸取經(jīng)驗(yàn)的原因。他們開發(fā)出一種特殊的防腐劑，可以將疫苗內(nèi)的活物質(zhì)變成蓋玻片水珠，令疫苗在酷暑中也能存活一周多的時(shí)間。

10.汽車車板(偷學(xué)對(duì)象：巨嘴鳥)

“巨嘴鳥山姆”(果脆圈品牌的吉祥物)

巨嘴鳥的喙大而厚重，本應(yīng)該讓這種鳥兒不堪重負(fù)。但是，正如果脆圈(一種谷類早餐)愛好者告訴你的一樣，“巨嘴鳥山姆”(果脆圈品牌的吉祥物)只會(huì)因此感到幸運(yùn)。這是因?yàn)榫拮禅B的喙簡(jiǎn)直是工程學(xué)上的奇跡。它十分堅(jiān)實(shí)耐用，可以啄穿最硬的水果外殼，還是對(duì)付其他鳥類的有力武器，而它們的密度卻與保麗龍杯(Styrofoamcup)一樣。

美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校工程學(xué)教授馬克·梅耶斯(MarcMeyers)為揭開巨嘴鳥的喙特性之謎花費(fèi)了大量心血。乍看上去，它好像是包了一層硬殼的泡沫，如摩托車頭盔。然而，梅耶斯發(fā)現(xiàn)，所謂的“泡沫”其實(shí)是由小腳手架和細(xì)細(xì)薄膜構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。腳手架本身由厚重的骨骼構(gòu)成，但它們的間隔十分有序，使得整個(gè)喙的密度只有水的十分之一。梅耶斯認(rèn)為，通過模仿巨嘴鳥喙的特性，我們可以開發(fā)出更堅(jiān)實(shí)、更輕便、更安全的汽車車板。今天的汽車已經(jīng)廣泛采用了這項(xiàng)技術(shù)。

英科學(xué)家稱有望制造出可與真人媲美的超級(jí)仿生人北京時(shí)間11月20日消息，據(jù)英國(guó)《每日電訊報(bào)》報(bào)道，科學(xué)家們?cè)?959年首次提出了一個(gè)大膽的設(shè)想，那就是要制造出類似人類有智慧、有記憶并且能做繁雜工作的“仿生人”。英國(guó)的科學(xué)家日前表示，由于大腦移植技術(shù)取得了重大進(jìn)展，人類未來有望制造出幾乎可以與真人相媲美的超級(jí)“仿生人”。

科幻電影有望成為現(xiàn)實(shí)

上個(gè)世紀(jì)70年代的孩子們應(yīng)該記得美國(guó)著名的科幻電影《無敵金剛》，影片中的飛行員史蒂夫·奧斯雙腿重傷后換上了價(jià)值600萬美元的假肢，從此成為一位擁有超能力的“仿生人”?？偛吭O(shè)于英國(guó)卡迪夫大學(xué)的微橋(MicroBridge)服務(wù)公司目前正致力于這種仿生研究，并希望將電影中的科學(xué)幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。微橋服務(wù)公司不僅僅是微工程設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的先驅(qū)者，而且是世界上唯一一家有能力生產(chǎn)大腦植入器的企業(yè)。這種植入器僅有火柴頭大小，里面裝有100多個(gè)由極硬碳化鎢合金制成的用來傳導(dǎo)電流的傳感器。這些傳感器只比人類的頭發(fā)絲稍粗一些，被植入大腦后用于加速神經(jīng)脈沖，以激活和控制假肢肢體。

研究者希望這種技術(shù)能夠幫助截肢者學(xué)習(xí)和適應(yīng)假肢的移動(dòng)，以重新獲得失去的活動(dòng)能力。微橋服務(wù)公司由卡迪夫大學(xué)設(shè)立，主要致力于這項(xiàng)研究的商業(yè)潛力的開發(fā)。美國(guó)猶他大學(xué)的研究人員曾經(jīng)請(qǐng)求卡迪夫大學(xué)的微橋服務(wù)公司為他們生產(chǎn)經(jīng)久耐用的微型針狀陣列傳感器。此前，美國(guó)人已經(jīng)成功研制出了可操縱電腦與假肢的植入器，但他們的植入器主要由硅質(zhì)材料制成。后來實(shí)踐證明，這種硅質(zhì)植入器過于脆弱，使用壽命不足一年。美國(guó)人要求的這種微型針狀陣列傳感器雖然很堅(jiān)硬，但能夠深深植入大腦并可以傳導(dǎo)電信號(hào)。

微橋服務(wù)公司羅伯特·霍伊爾博士介紹說，在植入器的制造中，使用碳化鎢硬質(zhì)合金是至關(guān)重要的?！懊绹?guó)人最后只有找我們。”作為這一領(lǐng)域的先驅(qū)，微橋服務(wù)公司確實(shí)具備利用極硬材料生產(chǎn)微型針頭陣列的能力?；粢翣柦忉屨f，植入器通過檢測(cè)來自大腦的電信號(hào)，然后放大它們并將它們轉(zhuǎn)交給假肢從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。裝有植入器的患者將慢慢學(xué)會(huì)利用植入器以獲得正常的肢體反應(yīng)。這一學(xué)習(xí)和和適應(yīng)過程肯定要持續(xù)數(shù)周時(shí)間，但在志愿者的測(cè)試過程中已經(jīng)顯出可喜的成果。將來，這項(xiàng)技術(shù)將可用于治療因?yàn)橐馔獾募棺祩Χ斐傻陌c瘓。放入脊柱中的植入器能夠有效地修復(fù)傷害并引導(dǎo)肢體重新學(xué)習(xí)如何活動(dòng)。

仿生人技術(shù)突飛猛進(jìn)

不僅是英國(guó)的科學(xué)家們?cè)谶M(jìn)行此項(xiàng)研究，美國(guó)的解剖學(xué)家協(xié)會(huì)此前也制定了一個(gè)名為“60億美元人類”的計(jì)劃，即通過生物學(xué)與電子傳導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合打造出仿生人。仿生人一旦成功問世，人類的四肢、器官將變得“更快、更好、更強(qiáng)壯”，肢體殘疾者可以借助仿生裝置走路，盲人也能重見光明。美國(guó)新澤西州的大學(xué)教授威廉·克雷尼斯描述了他們制造的仿生手臂。手臂末端有完整的手掌和五根手指，每根都可以獨(dú)立接受大腦對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)下達(dá)的指令，這種交流靠植入人工肢體的電腦協(xié)調(diào)完成。仿生手臂上有標(biāo)準(zhǔn)的插頭和感應(yīng)硅樹脂袖套接在截肢者肘部以下，經(jīng)過一段時(shí)期的簡(jiǎn)單訓(xùn)練，使用者只需通過想像手部動(dòng)作就可以控制手臂的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過訓(xùn)練后，仿生手指甚至可以彈鋼琴。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的霍馬允·卡澤魯尼博士設(shè)計(jì)的是一雙強(qiáng)有力的機(jī)器腿，附加的機(jī)械動(dòng)力可以讓這雙機(jī)器腿搬運(yùn)90公斤的重物。老年人、殘疾人能借助仿生腿靈活地行動(dòng)；軍隊(duì)可以借助它幫士兵攜帶更多裝備，進(jìn)行長(zhǎng)距離行軍?！拔覀儨?zhǔn)備創(chuàng)造一副外部骨骼，它將兼具人體控制系統(tǒng)與機(jī)械肌肉。”卡澤魯尼說。美國(guó)斯坦福大學(xué)教授丹尼爾·帕蘭卡爾領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組則設(shè)計(jì)了一只仿生眼，仿生眼的“人工視網(wǎng)膜”中植入了微型便攜式電腦處理器、微型電池以及微型感光芯片。感光芯片從護(hù)目鏡上的攝像頭處接收信號(hào)，在光線波長(zhǎng)低于可見光的情況下也能看見東西，能夠進(jìn)行夜視。帕蘭卡爾說：“研究的最終目的是制造仿生眼，能使盲人分辨出不同人的臉并能閱讀大字號(hào)印刷品。”

在美國(guó)科學(xué)家已取得成就的基礎(chǔ)上，德國(guó)薩爾大學(xué)的沃納·納赫迪加爾和峰利聽覺中心的史蒂芬·勞納教授已經(jīng)開發(fā)出一種新的助聽器。這種助聽器被植入一種微型晶片，它能復(fù)制腦部和耳朵互相作用，通過刺激聽覺神經(jīng)接收聲音。勞納教授說：“我們的耳朵有定位、辨別不同聲音的能力，新的仿生耳可以模擬耳朵的這些功能。仿生人在許多功能上都優(yōu)于人類。比如，視訊系統(tǒng)增添了電腦輔助資訊，使得原先肉眼所能接收的光波范圍無限擴(kuò)大，肌肉體也超越常人。仿生機(jī)器人技術(shù)的最終目標(biāo)，是創(chuàng)造由活體器官和人造元件組成的仿生體。如今，一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了把大腦神經(jīng)元和電子元件結(jié)合在一起的研究工作。殘疾人將是這種技術(shù)的首批受益者。改善人體能力，將是這類技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果?！?/p>

執(zhí)著的追求記任露泉院士和他的工程仿生研究春節(jié)臨近，新當(dāng)選的中國(guó)科學(xué)院院士、吉林大學(xué)教授任露泉比往年更忙了。但忙的主題并沒有變，就在春節(jié)前接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪的時(shí)候，他還召集自己的助手們開會(huì)商量如何繼續(xù)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金支持的事。

在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)，他深情地說，“院士這個(gè)稱號(hào)標(biāo)志著國(guó)家、人民以及科技界對(duì)自己提出了更高的期望，我將盡自己最大的努力，踏踏實(shí)實(shí)做人，認(rèn)認(rèn)真真做事，維護(hù)這一稱號(hào)的榮譽(yù)和尊嚴(yán)，回報(bào)祖國(guó)和人民?！?/p>

求索，發(fā)現(xiàn)土壤動(dòng)物的脫附減阻規(guī)律

任露泉1962年考取吉林工業(yè)大學(xué)，選擇了與黑土地息息相關(guān)的拖拉機(jī)專業(yè)。后獲碩士學(xué)位，并留校工作。

任露泉是一位善于求索的有心人。1982年，他到洛陽進(jìn)行拖拉機(jī)負(fù)荷車設(shè)計(jì)調(diào)研時(shí)看到這樣一個(gè)細(xì)節(jié)：挖掘機(jī)鏟斗中的土怎么也抖落不掉，人們不得不停下緊張的工作，一鏟鏟地清除。他看在眼里，急在心上：“自己學(xué)的知識(shí)，不就是要解決工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難題嗎？”從洛陽回來后，他就把自己想研究土壤黏附的打算告訴了導(dǎo)師陳秉聰教授。陳秉聰坦率地對(duì)他說：“這項(xiàng)研究非常有價(jià)值，但肯定也是非常困難的，也許幾年出不了成果，如果有決心，可以試試！”聽了導(dǎo)師的話，他經(jīng)過冷靜而縝密的思考，毅然決然地選擇了研究土壤黏附這一課題。

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)20多個(gè)省、自治區(qū)的地面機(jī)械實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行的調(diào)研，又大量查閱國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)與資料，他不僅懂得了搞土壤黏附研究的重要性和緊迫性，也知道了自己選擇的是一項(xiàng)世界性的技術(shù)難題。

此后，采用什么技術(shù)和方法解決土壤黏附問題，成為他腦海中揮之不去的思考焦點(diǎn)。他一邊冥思苦想，一邊開始了腳踏實(shí)地的探索性工作。他在當(dāng)時(shí)還很簡(jiǎn)陋的土槽實(shí)驗(yàn)室中，用自制的儀器設(shè)備作各種試驗(yàn)，測(cè)試土壤的黏性、研究土壤和機(jī)具間的相互作用關(guān)系……1983年的秋天，他偶然從稻田地里的田鼠身上受到啟發(fā)。他看到，田鼠在泥濘的土里穿梭，一點(diǎn)都沒有粘上泥土。田鼠為什么不粘土？何不把它的本領(lǐng)移到地面機(jī)械上來？一個(gè)用動(dòng)物的不粘本領(lǐng)解決機(jī)械粘土問題的想法在他腦海里明晰起來，就這樣，一個(gè)“地面機(jī)械仿生脫附減阻”的新研究思路確立了。

為了求索“地面機(jī)械仿生脫附減阻”研究的有效途徑，任露泉帶領(lǐng)課題組開始了緊張、艱苦的研究歷程：作土壤動(dòng)物試驗(yàn)研究；搜集資料，調(diào)研論證；申報(bào)項(xiàng)目、籌措資金、自制急需的儀器設(shè)備；根據(jù)研究需求跨學(xué)科學(xué)習(xí)、補(bǔ)充知識(shí)的不足。很快，實(shí)驗(yàn)室就變成了動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)，他白天與蜣螂、蚯蚓、螻蛄、蝎子、田鼠、泥鰍等動(dòng)物打交道，反復(fù)進(jìn)行室內(nèi)外的試驗(yàn)、觀察和分析，晚上便處理數(shù)據(jù)和鉆研必要的新知識(shí)。

干事業(yè)需要人才，任露泉決定組建包含機(jī)械、生物、土壤、材料等學(xué)科的科研團(tuán)隊(duì)，并跨學(xué)科招收研究生。而后，他帶領(lǐng)由十多個(gè)專業(yè)的研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)，踏踏實(shí)實(shí)地對(duì)6門10綱1萬多只土壤動(dòng)物進(jìn)行了系統(tǒng)的大量的生物測(cè)試、理論分析、計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)，探索出了多種不同類型動(dòng)物遇黏不粘的機(jī)理，研究工作取得了重大突破：發(fā)現(xiàn)了具有非光滑身體表面的土壤動(dòng)物，如蜣螂、穿山甲等具有脫附功能；發(fā)現(xiàn)了身體由多層次的柔性部分構(gòu)成的動(dòng)物，如田鼠等具有脫附功能；并揭示了一些動(dòng)物具有的特殊的幾何形體，如爪趾構(gòu)形、體表結(jié)構(gòu)及分泌物所具有的脫附功能的各自機(jī)理；并創(chuàng)建了“生物體表形態(tài)、構(gòu)形、結(jié)構(gòu)、生物電、生物潤(rùn)滑及生物柔性等多因素綜合脫附減阻理論”。這是國(guó)際上首次提出的重要的原創(chuàng)性成果，在國(guó)內(nèi)外同行中引起了強(qiáng)烈的反響和高度的評(píng)價(jià)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊ExcellenceinScience載文稱，“任露泉教授為中國(guó)仿生學(xué)研究開拓者之一?！?/p>

求實(shí)，開創(chuàng)工程仿生研究的新領(lǐng)域

土壤動(dòng)物脫附理論上的突破，不是任露泉的最終目標(biāo)，進(jìn)行這項(xiàng)研究的目的和出發(fā)點(diǎn)是解決工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤黏附機(jī)械的重大技術(shù)難題。為此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)立即投入到把土壤動(dòng)物的脫附功能移植到地面機(jī)械上來的實(shí)質(zhì)性研究中。

在新的攀登征途上，任露泉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，開始用所創(chuàng)建的理論，針對(duì)不同觸土部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作業(yè)規(guī)律和作業(yè)環(huán)境，尋找將生物的脫附機(jī)理用到機(jī)械上的設(shè)計(jì)方法、制造技術(shù)和測(cè)試技術(shù)上，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用。他結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)與論證撰寫出《試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析》一書，提出廣義試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)思想和試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)與結(jié)果處理的優(yōu)化方法，運(yùn)用這些方法大大提高了試驗(yàn)的質(zhì)量和效率。這本書在國(guó)內(nèi)已被作為工具書廣泛應(yīng)用。

隨著仿生非光滑、仿生柔性和仿生電滲等脫附減阻設(shè)計(jì)方法、制造技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的誕生，運(yùn)用這些仿生設(shè)計(jì)方法、制造技術(shù)，任露泉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)又研制出了具有脫附減阻功能的犁壁、鎮(zhèn)壓輥、深松鏟、挖斗及表面電滲落料斗等多種仿生機(jī)械部件，并已開始將所發(fā)明的仿生設(shè)計(jì)方法、仿生制造技術(shù)向其他非土壤介質(zhì)的領(lǐng)域拓展，研發(fā)自潔表面、防粘模具、不粘炊具、減摩活塞等仿生技術(shù)與產(chǎn)品，取得了系列性的創(chuàng)新研究成果。這些成果已在全國(guó)9個(gè)省24個(gè)單位的農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、電力機(jī)械等多個(gè)行業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

與此同時(shí)，任露泉開辟的地面機(jī)械仿生脫附減阻領(lǐng)域已成為國(guó)內(nèi)外仿生研究的前沿與熱點(diǎn)。比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)、日本京都大學(xué)、泰國(guó)亞洲理工大學(xué)正在跟蹤研究任露泉科研團(tuán)隊(duì)的仿生成果。

求高，為工程仿生學(xué)科的發(fā)展奠定基礎(chǔ)

任露泉的研究工作并未就此畫上句號(hào)，他正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，將仿生技術(shù)向更廣的領(lǐng)域和更高的層面拓展，積極為工程仿生學(xué)科的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。他的著眼點(diǎn)已逐漸從單純解決土壤黏附問題提升到占領(lǐng)工程仿生研究前沿、推動(dòng)仿生學(xué)科發(fā)展的高度，并為此結(jié)合研究做了許多基礎(chǔ)性工作。

為推動(dòng)工程仿生學(xué)研究，任露泉非常重視仿生人才的培養(yǎng)。他對(duì)學(xué)生要求十分嚴(yán)格，研究項(xiàng)目全部要真題真做，提倡獨(dú)立思考與學(xué)術(shù)交流相結(jié)合，每?jī)芍芤匍_一次內(nèi)容明確、充實(shí)的學(xué)術(shù)研討會(huì)。雖然他自己已有很成熟、很超前的想法，但每次都是鼓勵(lì)學(xué)生先講。這種學(xué)術(shù)研討會(huì)一直延續(xù)至今。他帶出的36名博士（后）、19名碩士中已有15人被遴選為博士生導(dǎo)師，1人獲國(guó)家杰出青年基金，1人獲中國(guó)青年科技獎(jiǎng)，4人被評(píng)為教育部跨（新）世紀(jì)優(yōu)秀人才。

為了給人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和成果轉(zhuǎn)化提供更好的條件，任露泉投入大量精力，先后主持創(chuàng)建了“地面機(jī)械仿生技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“吉林省地面機(jī)械仿生技術(shù)與仿生功能材料中試基地”、“仿生科學(xué)與工程”博士點(diǎn)和國(guó)家“985工程”仿生科技創(chuàng)新平臺(tái)，它們已成為國(guó)內(nèi)外有重要影響的仿生研究基地。

任露泉還結(jié)合仿生學(xué)研究，積極倡導(dǎo)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，積極參與或主持重要的學(xué)術(shù)活動(dòng)。他作為吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科和仿生科學(xué)與工程博士點(diǎn)的學(xué)科帶頭人，多次參與國(guó)家學(xué)科戰(zhàn)略研討。他在國(guó)內(nèi)外12個(gè)學(xué)術(shù)組織任重要職務(wù)，是兩個(gè)被EICompendex收錄的學(xué)術(shù)刊物的主編和兩個(gè)被EIWeb收錄的學(xué)術(shù)期刊的副主編，擔(dān)任亞洲農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)副主席、國(guó)際地面車輛系統(tǒng)學(xué)會(huì)中國(guó)國(guó)家代表，與多個(gè)國(guó)際知名學(xué)者開展有效的科技合作，主持多項(xiàng)國(guó)際合作項(xiàng)目。為了更好地交流和傳播仿生工程的創(chuàng)新性研究成果，他創(chuàng)辦了國(guó)際性學(xué)術(shù)刊物JournalofBionicEngineering，由中國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本、加拿大、比利時(shí)等14個(gè)國(guó)家的知名仿生學(xué)者組成編委會(huì)。該刊創(chuàng)辦3年就被EICompendex收錄。

新一代仿生能量收集機(jī)：步行可供手機(jī)通話加拿大仿生電力(BionicPower)公司最近成功研制出了新一代的仿生能量收集機(jī)(BionicEnergyHarvester)。使用者可將該設(shè)備縛在膝關(guān)節(jié)支架上，他們所邁出的每一步都將為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)能。步行一分鐘所產(chǎn)生的能量可供手機(jī)通話十分鐘。無論是對(duì)于軍隊(duì)作業(yè)、野外探險(xiǎn)還是緊急救援來說，這種便攜式步行發(fā)電機(jī)都將發(fā)揮重大的作用。

研發(fā)小組組長(zhǎng)、不列顛哥倫比亞省(BritishColumbia)西蒙弗雷澤大學(xué)(SimonFraserUniversity)的生物醫(yī)學(xué)生理學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)教授馬克斯·杜蘭(MaxDonelan)對(duì)《基督教科學(xué)箴言報(bào)》說，行走時(shí)膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的大量動(dòng)能一直為人所忽略。步行發(fā)電機(jī)可以截獲這些源源不斷的能量，從而避免巨大的浪費(fèi)。

仿生電力公司計(jì)劃為加拿大軍隊(duì)6月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試推出僅重兩磅的精簡(jiǎn)版能量收集機(jī)。在為時(shí)兩天的演習(xí)中，士兵們將攜帶重達(dá)30磅的一次性電池，以便為收音機(jī)、電腦、測(cè)距儀以及熱像武器瞄準(zhǔn)具(ThermalWeaponSight,TWS)等設(shè)備充電。據(jù)杜蘭介紹，一次性AA電池的單價(jià)僅為1美元，然而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的電池成本高達(dá)30美元。

來自加拿大國(guó)防研究與發(fā)展部門(DefenceResearchandDevelopment)的科學(xué)家埃德·安德魯凱提斯(EdAndrukaitis)指出，一直以來，軍方都在竭盡全力減省電力方面的開支。新一代能量收集機(jī)的問世意味著軍隊(duì)不僅可以延長(zhǎng)作業(yè)的時(shí)間，還可減少電池的消耗。

美國(guó)軍方亦對(duì)此發(fā)明表示了濃厚的興趣。與此同時(shí)，美國(guó)科學(xué)家也正致力于研發(fā)一種足跟沖壓發(fā)電技術(shù)(heel-strikemethod)，特制的鞋墊在受到擠壓時(shí)可以驅(qū)動(dòng)鞋子里的發(fā)動(dòng)機(jī)。之前，亞利桑那州立大學(xué)(ArizonaStateUniversity)的研究者發(fā)明了一種通過特殊挎帶與發(fā)電機(jī)相連的重型背包。其功率僅為45.6毫瓦，換言之，使用者步行十分鐘所產(chǎn)生的電能僅供手機(jī)通話一分鐘。

仿生能量收集機(jī)的問世意味著戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵和