結(jié)構(gòu)仿生學(xué) 課件 第5章 結(jié)構(gòu)仿生學(xué)典型應(yīng)用案例

結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與航空航天工程陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料已用作液體火箭發(fā)動機(jī)噴管、導(dǎo)彈天線罩、航天飛機(jī)鼻錐、飛機(jī)剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術(shù)新材料的一個重要分支。陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程仿生陶瓷基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理仿生陶瓷基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展仿生陶瓷基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的高韌性原因仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料未來發(fā)展方向陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程組織工程材料是指生物醫(yī)用材料（Biomedicalmaterials），其定義隨醫(yī)用材料的發(fā)展不斷發(fā)展，指用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料。人體移植器官和組織的嚴(yán)重短缺以及移植費(fèi)用的昂貴，限制了其在醫(yī)學(xué)臨床上的應(yīng)用，人們運(yùn)用組織工程學(xué)的概念和原理，試圖體外重建人體的器官和組織。組織工程的核心是將具有生命力的人體器官組織細(xì)胞于生物材料所形成的構(gòu)架進(jìn)行培養(yǎng)、分化、增殖，最終形成一個完整的具有與人體對應(yīng)器官和組織相同生理功能的實(shí)質(zhì)性替代物。組織工程材料特性組織工程材料加工方法陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程①具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；②具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化；③能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；④反應(yīng)比較靈敏、及時和恰當(dāng)；⑤當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。且智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動三個基本要素。智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構(gòu)成。仿生智能材料的基本屬性仿生智能材料的構(gòu)成仿生智能材料的應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程實(shí)體的仿生是從自然界中選取研究對象，將對象形態(tài)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可以利用在技術(shù)領(lǐng)域的抽象功能，考慮用不同的物質(zhì)材料和工藝手段創(chuàng)造新的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，具有科技性、時代性。抽象的討論，是從城市發(fā)展的角度來認(rèn)識。在“全球化”的語境下，“地域性”這個元素對營造城市場所的歸屬感尤為重要，這給建筑的仿生設(shè)計(jì)提出了新的要求。仿生不再僅僅只是為了追求高科技的展現(xiàn)，也應(yīng)該是尊重，并發(fā)展當(dāng)?shù)匚拿}，具有地域性的創(chuàng)造。這種仿生具有適宜性。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程建筑形態(tài)的仿生建筑形態(tài)的仿生是建筑仿生中最常見的仿生方式，人們通過對自然界的生物的形態(tài)進(jìn)行模仿，從而創(chuàng)造出體貌多變的建筑形態(tài)。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程建筑結(jié)構(gòu)的仿生結(jié)構(gòu)仿生是從自然界汲取靈感，從而實(shí)現(xiàn)建筑力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料性能等方而的仿生。對生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究是實(shí)現(xiàn)這些要求的有效途徑。以動植物、微生物、人類自身等為原型，通過考察自然的選擇和優(yōu)化規(guī)律，提取出原型中的結(jié)構(gòu)體系，來為新建筑結(jié)構(gòu)提供合理的外形;通過分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，將其應(yīng)用于建筑整體的結(jié)構(gòu)力學(xué)之中。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程功能仿生建筑的功能往往是錯綜復(fù)雜的，如何有機(jī)組織各種功能成為一種綜合的整體，自然界中的生物為我們提供了成功的范例，它不僅僅是單一功能元素的相互疊加，而是多功能發(fā)展過程的整合，因此產(chǎn)生了一個較高發(fā)展階段的新特性。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程材料仿生材料仿生是指模仿生物體組成材料的物理特性和化學(xué)成分，研究出新型的建筑材料，來滿足人們對建筑材料性能和品種口益增長的需要。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程幾何特征仿生建筑的設(shè)計(jì)手法打破了以往建立在靜態(tài)三維幾何學(xué)上的沉悶的空間形態(tài)，現(xiàn)代數(shù)學(xué)在分形學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)方而的探索對這一趨勢起到了推波助瀾的作用。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)仿生機(jī)械是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計(jì)制造出功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。仿生機(jī)械學(xué)研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生物體材料力學(xué)、生物體機(jī)械力學(xué)和生物體流體力學(xué)；控制體是根據(jù)從生物了解到的知識建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)，如機(jī)電假手等；機(jī)器人則是用計(jì)算機(jī)控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，又把醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的知識應(yīng)用于工程技術(shù)。它包含著對生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對生物的運(yùn)動、動作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實(shí)用化。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)仿生機(jī)器人是仿生機(jī)械學(xué)中的一個最為典型的應(yīng)用實(shí)例，其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展水平。日本和美國在仿生機(jī)器人的研究領(lǐng)域起步早，發(fā)展快，取得了較好的成果。我國對仿生機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過十多年的研究，在仿生機(jī)器人方面也取得了很多成果，研制出了相關(guān)的機(jī)器人樣機(jī)，而且有些仿生機(jī)器人在某些方面達(dá)到了國外先進(jìn)水平。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)一般來說，應(yīng)用工程技術(shù)來幫助殘疾人代償已失去的功能，大致可劃分為兩個范疇：一個是屬于系統(tǒng)工程的范疇，它是通過改變或重新建立新的生活環(huán)境條件，使有功能障礙的患者得到適應(yīng)和方便；另一個就是屬于康復(fù)工程的范疇，它是通過綜合應(yīng)用精密機(jī)械、現(xiàn)代控制和信息處理等技術(shù)來設(shè)計(jì)高性能的器械，并確立機(jī)器和人之間的信息傳遞手段，起到代償功能的作用。特別是由于高級自動化課題中機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，開拓了機(jī)器人在康復(fù)工程領(lǐng)域中應(yīng)用的廣闊前景，將給殘疾人帶來更多的福音。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)根據(jù)對功能障礙代償?shù)哪康牟煌?，可把代償器械分為兩大類：一類是直接安裝于人體上進(jìn)行代償失去功能的器械，如各種假肢、輔助裝具等；另一類是裝設(shè)于人體外、且構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)的、起間接代償功能的器械，如各種環(huán)境控制裝置、醫(yī)療機(jī)械手、機(jī)器人、移動機(jī)械等。但是，不論是哪一種代償器械，都要使殘疾人自身能夠進(jìn)行操作，所以器械的動作指令必須利用殘疾人殘存的機(jī)能。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)目前，可實(shí)際有效地利用的殘存機(jī)能大致有下列三種：(1)人體的機(jī)械運(yùn)動位移。如利用身體某一部分運(yùn)動所產(chǎn)生的動作位移和部分肌肉收縮所產(chǎn)生的膨起位移等，這是一種基本的方法。(2)人體的肌肉表面動作電位。肌肉電位是人體的一種生物電，利用這種生物電作為控制信號源已有較大的發(fā)展。(3)呼氣壓力、聲音信號等。雖然采用聲音作為輸入信號尚處于開發(fā)階段，但它已成為一種新的發(fā)展方向，是研究醫(yī)療機(jī)器人的一個重要課題。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)材料空間結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仿生空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例4.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與航空航天工程常用金屬材料特點(diǎn)鋁合金鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。鎂合金密度小，相對比強(qiáng)度、比剛度高，具有很好的減重作用。鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，質(zhì)量穩(wěn)定，價(jià)格低廉。鈦合金密度低，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，并具有超導(dǎo)、貯氫、記憶等優(yōu)點(diǎn)。鈹及鈹合金比重低，彈性模量高，各向異性小，具有良好的減振效果。用于結(jié)構(gòu)件，光學(xué)件。金屬結(jié)構(gòu)材料空間結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仿生空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例4.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與