第八章 有機(jī)仿生材料

第八章有機(jī)仿生材料第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)概述人類探索自然的歷程經(jīng)歷了數(shù)千年,然而至今仍然不能對(duì)生命的運(yùn)作施加任何控制。人體內(nèi)的細(xì)胞按照遺傳既定的程序運(yùn)做著。這種自發(fā)性從6億年前的單細(xì)胞組合開始,造就了海藻、水母、昆蟲、鳥獸,直至人類這樣的多細(xì)胞生物體、生物化石等等。因而就激發(fā)了今天的人類仿造天然的靈感?，F(xiàn)實(shí)生活中的動(dòng)物與植物，都屬于生物的范疇。在地球上所有生物都是由理想的無(wú)機(jī)或有機(jī)材料通過(guò)組合而形成。動(dòng)植物為了鑄造自己身體所用的材料在有機(jī)系列里有纖維素、木質(zhì)素、甲殼質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等等，其構(gòu)造非常復(fù)雜。許多生物體的某些構(gòu)成材料是我們完全不知道的，這些材料大多數(shù)是在常溫常壓的條件下形成，并能發(fā)揮出特有的性能。第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)人們對(duì)這些生物現(xiàn)象有了充分的理解之后，把它們應(yīng)用于材料科學(xué)技術(shù)方面，就是仿生材料。仿生材料是人類受生物啟發(fā)或模仿生物的各種特性、行為、結(jié)構(gòu)等而開發(fā)的材料。自然界中的物質(zhì)和天然生物材料，如貝殼、骨骼、蠶絲、竹、木材等都是經(jīng)數(shù)億年進(jìn)化的產(chǎn)物，迄今已具有適應(yīng)其環(huán)境與功能需求的最佳結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出傳統(tǒng)人工合成材料無(wú)法比擬的優(yōu)異強(qiáng)韌性、功能適應(yīng)性及損傷愈合能力。因此，材料科學(xué)工作者們?cè)噲D揭示天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征和形成機(jī)制，從而應(yīng)用于現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)與制備。第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日在生物醫(yī)療領(lǐng)域，仿照天然生物材料制備出具有生物功能，甚至是真正有生物活性的材料已成為生物材料科學(xué)極為活躍的前沿研究領(lǐng)域。第二節(jié)仿生學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史仿生學(xué)誕生于二十世紀(jì)60年代，是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、腦與認(rèn)知科學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)學(xué)與力學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。材料的仿生研究由來(lái)已久，但比較系統(tǒng)的現(xiàn)代仿生材料研究則相對(duì)較晚。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民通過(guò)觀察魚在水中用尾巴搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎的過(guò)程，在船尾架置木槳。后經(jīng)反復(fù)觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸演變成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，也掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，船只也能航行自如；魯班通過(guò)觀察絲矛草葉子，并仿其邊緣的細(xì)齒結(jié)構(gòu)，發(fā)明了鋸子；據(jù)《韓非子》記載魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。然而人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇和他的助手對(duì)鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)魚鰾充氣原理，制成了潛水艇沉浮系統(tǒng)；雷達(dá)、戰(zhàn)艇偵察手段也是借鑒了蝙蝠、海豚“回聲定位”系統(tǒng)的結(jié)果；效仿蜻蜓翅膀上的翼眼，人類發(fā)明了高速飛機(jī)。仿生學(xué)英文起初用Bionics表述，主要著眼于電子系統(tǒng)的研究。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，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。90年代出現(xiàn)了Biomimetics一詞意思是模仿生物。第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日美、英等國(guó)合作在1992年創(chuàng)辦了材料仿生學(xué)雜志《Biomimetics》，著重力學(xué)結(jié)構(gòu)方面的仿生研究。近年來(lái)國(guó)外又出現(xiàn)了Bio-inspired一詞，意為受生物啟發(fā)而研制的材料或進(jìn)行的過(guò)程。也標(biāo)志著材料仿生研究的真正起步。第三節(jié)仿生材料的研究?jī)?nèi)容仿生學(xué)是以生物為研究對(duì)象，研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換和信息過(guò)程，并將所獲得的知識(shí)用來(lái)改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造嶄新的機(jī)械、儀器、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程的科學(xué)，使生物科學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的一門綜合的邊緣學(xué)科。第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日仿生學(xué)在材料科學(xué)中的分支稱為仿生材料學(xué)(biomimeticmaterialsscience),它是指從分子水平上研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)效關(guān)系,進(jìn)而研發(fā)出類似或優(yōu)于原生物材料的一門新興學(xué)科,是化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的交叉。地球上所有生物體都是由無(wú)機(jī)和有機(jī)材料組合而成。由糖、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、水等基本元素有機(jī)組合在一起,形成了具有特定功能的生物復(fù)合材料。仿生設(shè)計(jì)不僅要模擬生物對(duì)象的結(jié)構(gòu),更要模擬其功能。將材料科學(xué)、生命科學(xué)、仿生學(xué)相結(jié)合,對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展具有重大意義。自然進(jìn)化使得生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細(xì)觀、微觀結(jié)構(gòu),并且具有自適應(yīng)性和自愈合能力。在比強(qiáng)度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日仿生材料的研究?jī)?nèi)容是極其豐富多彩的，因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f(wàn)的種類，它們具有各種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能。自從仿生學(xué)問(wèn)世以來(lái)，仿生材料的研究得到迅速的發(fā)展，且取得了很大的成果。仿生學(xué)的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動(dòng)物的感覺器官、神經(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的整體作用。以后在機(jī)械仿生和化學(xué)仿生方面的研究也隨之開展起來(lái)，近些年又出現(xiàn)新的分支，如人體的仿生學(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等。仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容，從模擬微觀世界的分子仿生學(xué)到宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容。而當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)正是處于一個(gè)各種自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時(shí)代，仿生學(xué)通過(guò)模擬的方法把對(duì)生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起，同時(shí)對(duì)生物學(xué)的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日在其它學(xué)科的滲透和影響下，使生物科學(xué)的研究在方法上發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變；在內(nèi)容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學(xué)的發(fā)展又是以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營(yíng)養(yǎng)，加速科學(xué)的發(fā)展。因此，仿生學(xué)的科研顯示出無(wú)窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。第四節(jié)仿生材料的研究范圍仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日一、分子仿生是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。如在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)后，合成了一種類似有機(jī)化合物，在田間捕蟲籠中用千萬(wàn)分之一微克，便可誘殺雄蟲。二、力學(xué)仿生是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。如建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日三、能量仿生是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。如從螢火蟲到人造冷光。四、信息與控制仿生是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過(guò)程。如，根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研制成功可增強(qiáng)圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測(cè)的一些裝置。已建立的神經(jīng)元模型達(dá)100種以上，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出新型計(jì)算機(jī)。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日五、結(jié)構(gòu)仿生研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)、生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及其它結(jié)構(gòu)功能。如模仿貝殼結(jié)構(gòu)修造大跨度薄殼建筑；模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)包敷人工海豚皮于船外殼；模仿啄木鳥腦殼的海綿狀組織骨骼制備類似材料等。六、成分仿生是模仿天然生物材料的成分來(lái)制備塊體材料或表面膜層材料。是最簡(jiǎn)單、最直接的仿生。如生物骨骼的成分仿生。骨骼是支撐人體的關(guān)鍵器官，因而骨骼破損的修復(fù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要任務(wù)之一。骨骼的主要成分是以羥基磷灰石為主的磷酸鈣，因此很自然的一個(gè)仿生思想就是制造羥基磷灰石作為骨的修復(fù)和替代材料。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日七、過(guò)程仿生是模仿生物體中形成材料的過(guò)程或機(jī)理來(lái)進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制備的過(guò)程。生物體中的有機(jī)反應(yīng)都是在溫和條件下迅速實(shí)現(xiàn)的，其產(chǎn)物具有極高的選擇性及產(chǎn)率。這種反應(yīng)的本質(zhì)就是酶的催化反應(yīng)。酶是一種蛋白質(zhì)，作為生物催化劑與一般的催化劑相比具有高效性、專業(yè)性及反應(yīng)條件溫和三個(gè)顯著特點(diǎn)。因此模擬生物體內(nèi)有機(jī)物的形成過(guò)程實(shí)質(zhì)是模擬酶的催化反應(yīng)過(guò)程，這種模擬導(dǎo)致了仿生化學(xué)的出現(xiàn)。酶能專一地催化某種反應(yīng)，主要是由于酶的分子結(jié)構(gòu)中存在一些活性部位包括結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)兩部分。結(jié)合基團(tuán)有一定的大小和形狀，能與底物的大小和形狀相匹配；催化基團(tuán)與底物上的反應(yīng)基團(tuán)或反應(yīng)部位又相互作用力，并處于合適的位置，保證每一步反應(yīng)由不同的基團(tuán)起催化作用。第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日八、功能仿生是模仿天然生物材料的功能來(lái)制備塊體材料或表面膜層材料的過(guò)程。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。九、智能仿生其中主體復(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。第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日從低等生物的刺激-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(guò)程中獲得了一種能力—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(lái)一類最先進(jìn)的仿生復(fù)合材料—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)。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。第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日仿生材料的研究范圍很廣，信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段，使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面，生物模式識(shí)別的研究、大腦學(xué)習(xí)記憶和思維過(guò)程的研究與模擬、生物體中控制的可靠性和協(xié)調(diào)問(wèn)題等，是仿生學(xué)研究的主攻方面。最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)。其目的不在于直接復(fù)制每一個(gè)細(xì)節(jié)，而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的。一般認(rèn)為，在仿生學(xué)研究中存在下列三個(gè)相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ)，后者是目的，而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁。第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)仿生材料的研究現(xiàn)狀國(guó)際上對(duì)天然生物材料及仿生材料研究的重視始于20世紀(jì)80年代。且研究不斷在加強(qiáng)、深入，已從基礎(chǔ)研究發(fā)展到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)階段。如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(shù)裝置（含4000感光器的電子芯片），鰻腦機(jī)器人，模擬昆蟲集體行動(dòng)的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)，仿生物鋼-蜘蛛絲等。目前,國(guó)際上一流大學(xué)都已把生物材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。國(guó)內(nèi)起步較晚，但研究、探索的勢(shì)頭迅猛。2002年起相關(guān)研究列入863計(jì)劃前沿探索類項(xiàng)目；2003年10月香山科學(xué)會(huì)議（主題：飛行和游動(dòng)的生物力學(xué)與仿生技術(shù)）；2003年12月香山科學(xué)會(huì)議（主題：仿生學(xué)的前沿和未來(lái)）；2004年8月北京自然博物館舉辦《昆蟲微觀結(jié)構(gòu)與仿生》的展覽。第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日十幾年來(lái)，中國(guó)在生物與仿生材料方面的研究者已取得了令人矚目的成果。自1988年生物無(wú)機(jī)化學(xué)家王夔院士和材料學(xué)家李恒德院士將生物礦化的概念引入到國(guó)內(nèi)后,中國(guó)的生物礦化研究開始逐漸形成規(guī)模。其中很重要的一個(gè)方面就是在學(xué)習(xí)礦化材料合成方法基礎(chǔ)上,研究并實(shí)施新的材料制備策略。近年，越來(lái)越多的科學(xué)家預(yù)言未來(lái)科學(xué)最驚人的進(jìn)展應(yīng)發(fā)生在材料科學(xué)、生物科學(xué)、化學(xué)的交叉領(lǐng)域上。因此，有關(guān)生物材料的研究不僅將為材料科學(xué)中諸多重要領(lǐng)域(如材料的設(shè)計(jì)和制備、材料的結(jié)構(gòu)和功能以及材料的表面和界面科學(xué)等)的新材料、新理論的產(chǎn)生提供極為重要的啟示，而且亦將對(duì)生命科學(xué)的前沿—結(jié)構(gòu)生物學(xué)，對(duì)信息科學(xué)中的重要熱點(diǎn)—生物控制論，對(duì)近代化學(xué)中的分子工程學(xué)等諸多前沿領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究的進(jìn)一步深入和發(fā)展起到重要的促進(jìn)和推動(dòng)作用。第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日人類對(duì)復(fù)合材料的研究，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到自然界進(jìn)化的水平！千里之行，始于足下。仿生材料學(xué)的發(fā)展還任重而道遠(yuǎn)！材料科技的突破才是最后對(duì)人類智慧的實(shí)踐?。?！第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日Thankyou!THEENDOFCHAP8!第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日中文論文題目姓名學(xué)號(hào)學(xué)院專業(yè)班級(jí)摘要：黑體小三號(hào)，兩端對(duì)齊。關(guān)鍵詞：3-5個(gè)，每個(gè)關(guān)鍵詞之間用逗號(hào)分開。英文論文題目姓名學(xué)號(hào)學(xué)院專業(yè)班級(jí)(英文