結構仿生學 課件 孫霽宇 第4、5章 結構仿生設計方法、結構仿生學典型應用案例

結構仿生設計一般過程構件表面結構仿生設計智能構件結構仿生設計構材結構仿生設計聯(lián)結結構仿生設計結構仿生設計一般過程包括以下幾個關鍵步驟：從生物體中獲取靈感，學習自然界中的智慧和設計原則；分析生物體的結構與功能，找到適合仿生設計的特點；利用先進的技術手段，如計算機模擬和3D打印等，將生物結構轉化為工程結構；不斷測試和改進設計，確保仿生結構在實際應用中具有優(yōu)越的性能和效果。通過這一過程，結構仿生設計可以實現(xiàn)生物體的智慧與技術的結合，為人類創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性和效率的工程產(chǎn)品和解決方案。1.結構仿生設計一般過程表面減阻功能結構減阻表面結構仿生設計原理仿生減阻深松鏟設計范例2.構件表面結構仿生設計表面功能結構按功能，可分為：表面附著脫附功能結構、表面熱功能結構、表面反應功能結構、表面減阻功能結構（包括表面疏水減阻功能結構、表面織構減阻功能結構）、表面減阻降噪功能結構、表面生物功能結構、表面超疏水自潔功能結構、表面視頻隱身功能結構、表面結構色調整功能結構、表面仿生耦合功能結構等。表面減阻功能結構減阻表面結構仿生設計原理仿生減阻深松鏟設計范例2.構件表面結構仿生設計該技術遵循以下三個理論：①附加流體動壓效應理論：在富油潤滑條件或混合潤滑條件下，微坑或微溝槽可以充當微小流體動壓潤滑軸承，從而產(chǎn)生附加流體動壓力；②“二次潤滑”理論：微坑或微溝槽可以作為微儲油池向摩擦副表面提供潤滑油；③容納磨損顆粒理論：干摩擦條件下，微坑或微溝槽可以容納磨粒，從而降低由于磨粒產(chǎn)生的高磨損。表面減阻功能結構減阻表面結構仿生設計原理仿生減阻深松鏟設計范例2.構件表面結構仿生設計仿生深松鏟設計及減阻機理深松鏟與土壤相互作用過程離散元仿真分析自修復涂層制備及性能田間驗證試驗及機理分析仿生步進執(zhí)行器仿生步進執(zhí)行器設計原理仿生步進壓電執(zhí)行器設計范例3.智能構件結構仿生設計仿生步進執(zhí)行器因其分辨率高、速度帶寬大、尺寸小、力矩大等優(yōu)勢而在現(xiàn)代醫(yī)療、光學儀器、航空航天等諸多領域發(fā)揮著十分重要的應用。仿生步進執(zhí)行器仿生步進執(zhí)行器設計原理仿生步進壓電執(zhí)行器設計范例3.智能構件結構仿生設計壓電材料柔性鉸鏈仿生步進執(zhí)行器仿生步進執(zhí)行器設計原理仿生步進壓電執(zhí)行器設計范例3.智能構件結構仿生設計尺蠖式仿生步進壓電執(zhí)行器海豹式仿生步進壓電執(zhí)行器慣性式仿生步進壓電執(zhí)行器梯度結構一般性質仿生梯度材料設計原理仿生梯度材料設計范例4.構材結構仿生設計功能梯度的主要特征是創(chuàng)建分布在材料中的特定位置屬性，這些屬性源于成分、微觀結構和幾何形狀等因素的變化。功能梯度材料（FGM）是選用兩種或兩種以上性能不同的均質材料，通過逐步改變這兩種（或多種）材料的成分或/和結構，使得材料性能隨著材料的組成或/和結構的變化而改變，形成具有性能變化特征的功能梯度材料。功能梯度材料的性能由材料的一端到另一端的變化形式既可以為非連續(xù)式，也可以為連續(xù)式，通過不同的梯度設計可以使材料性能呈現(xiàn)出階梯式或漸變式。梯度過渡的形式主要分為成分梯度、分布梯度、尺寸/結構梯度以及取向梯度，梯度結構一般性質仿生梯度材料設計原理仿生梯度材料設計范例4.構材結構仿生設計在材料設計和演變過程中，梯度從根本上與兩種成分的變化有關，即化學成分/成分和結構特性，進一步涉及結構建筑單元的排列、分布、尺寸和方向。此外，界面在維持結構完整性和支持生物材料的特定功能方面起著關鍵作用。梯度結構一般性質仿生梯度材料設計原理仿生梯度材料設計范例4.構材結構仿生設計仿生變剛度椎間盤設計仿生變剛度椎間盤有限元分析仿生變剛度椎間盤樣件制備試驗驗證及機理分析點陣結構材料拓撲優(yōu)化方法仿竹吸能結構材料設計范例5.聯(lián)結結構仿生設計點陣結構材料具有出色的物理、力學、熱學、光學和聲學性能，遠超普通固體材料。其突出特點包括超輕重量、優(yōu)異能量吸收、高比強度和比剛度，以及優(yōu)良的功能，如散熱、電磁屏蔽、隔聲和隱身等。因此，點陣結構在汽車工程、光電子、生物科學和航空航天等領域備受關注。點陣結構材料拓撲優(yōu)化方法仿竹吸能結構材料設計范例5.聯(lián)結結構仿生設計點陣結構材料拓撲優(yōu)化方法仿竹吸能結構材料設計范例5.聯(lián)結結構仿生設計壓縮力學建模方法設計原理數(shù)值優(yōu)化試驗驗證及機理分析討論就你接觸或了解的一種仿生結構構件，分析其設計考慮因素及設計思路。討論參考：參考結構仿生設計一般過程。習題試述仿生減阻功能結構設計應考慮因素。試述構材結構仿生設計應考慮因素。試述聯(lián)結結構仿生設計應考慮因素。結構仿生學與材料工程結構仿生學與建筑工程結構仿生學與機械設計結構仿生學與航空航天工程陶瓷基復合材料組織工程材料仿生智能材料1.結構仿生學與材料工程陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，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展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料已用作液體火箭發(fā)動機噴管、導彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術新材料的一個重要分支。陶瓷基復合材料組織工程材料仿生智能材料1.結構仿生學與材料工程仿生陶瓷基結構設計的基本原理仿生陶瓷基結構設計的研究現(xiàn)狀與進展仿生陶瓷基結構復合材料的高韌性原因仿生結構陶瓷復合材料未來發(fā)展方向陶瓷基復合材料組織工程材料仿生智能材料1.結構仿生學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、修復活組織的天然或人造材料。人體移植器官和組織的嚴重短缺以及移植費用的昂貴，限制了其在醫(yī)學臨床上的應用，人們運用組織工程學的概念和原理，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胞于生物材料所形成的構架進行培養(yǎng)、分化、增殖，最終形成一個完整的具有與人體對應器官和組織相同生理功能的實質性替代物。組織工程材料特性組織工程材料加工方法陶瓷基復合材料組織工程材料仿生智能材料1.結構仿生學與材料工程①具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界（或者內部）的刺激強度，如電、光、熱、應力、應變、化學、核輻射等；②具有驅動功能，能夠響應外界變化；③能夠按照設定的方式選擇和控制響應；④反應比較靈敏、及時和恰當；⑤當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態(tài)。且智能材料必須具備感知、控制和驅動三個基本要素。智能材料由基體材料、敏感材料、驅動材料和信息處理器四部分構成。仿生智能材料的基本屬性仿生智能材料的構成仿生智能材料的應用陶瓷基復合材料組織工程材料仿生智能材料1.結構仿生學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.結構仿生學與建筑工程實體的仿生是從自然界中選取研究對象，將對象形態(tài)、結構轉化為可以利用在技術領域的抽象功能，考慮用不同的物質材料和工藝手段創(chuàng)造新的形態(tài)和結構，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，這給建筑的仿生設計提出了新的要求。仿生不再僅僅只是為了追求高科技的展現(xiàn)，也應該是尊重，并發(fā)展當?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.結構仿生學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.結構仿生學與建筑工程建筑結構的仿生結構仿生是從自然界汲取靈感，從而實現(xiàn)建筑力學、結構、材料性能等方而的仿生。對生物結構形態(tài)的研究是實現(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，提取出原型中的結構體系，來為新建筑結構提供合理的外形;通過分析系統(tǒng)的結構性質，將其應用于建筑整體的結構力學之中。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.結構仿生學與建筑工程功能仿生建筑的功能往往是錯綜復雜的，如何有機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.結構仿生學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.結構仿生學與建筑工程幾何特征仿生建筑的設計手法打破了以往建立在靜態(tài)三維幾何學上的沉悶的空間形態(tài)，現(xiàn)代數(shù)學在分形學、拓撲學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.結構仿生學與建筑工程仿生機械學定義仿生機械與機器人技術、康復工程仿生機械實例3.結構仿生學與機械設計仿生機械是模仿生物的形態(tài)、結構和控制原理，設計制造出功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。仿生機械學研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。生物力學研究生命的力學現(xiàn)象和規(guī)律，包括生物體材料力學、生物體機械力學和生物體流體力學；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系統(tǒng)，如機電假手等；機器人則是用計算機控制的工程技術系統(tǒng)。仿生機械學是以力學或機械學作為基礎的，綜合生物學、醫(yī)學及工程學的一門邊緣學科，它既把工程技術應用于醫(yī)學、生物學，又把醫(yī)學、生物學的知識應用于工程技術。它包含著對生物現(xiàn)象進行力學研究，對生物的運動、動作進行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實用化。仿生機械學定義仿生機械與機器人技術、康復工程仿生機械實例3.結構仿生學與機械設計仿生機器人是仿生機械學中的一個最為典型的應用實例，其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機械學的發(fā)展水平。日本和美國在仿生機器人的研究領域起步早，發(fā)展快，取得了較好的成果。我國對仿生機器人的研究始于20世紀90年代，經(jīng)過十多年的研究，在仿生機器人方面也取得了很多成果，研制出了相關的機器人樣機，而且有些仿生機器人在某些方面達到了國外先進水平。仿生機械學定義仿生機械與機器人技術、康復工程仿生機械實例3.結構仿生學與機械設計一般來說，應用工程技術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和方便；另一個就是屬于康復工程的范疇，它是通過綜合應用精密機械、現(xiàn)代控制和信息處理等技術來設計高性能的器械，并確立機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器人技術的發(fā)展，開拓了機器人在康復工程領域中應用的廣闊前景，將給殘疾人帶來更多的福音。仿生機械學定義仿生機械與機器人技術、康復工程仿生機械實例3.結構仿生學與機械設計根據(jù)對功能障礙代償?shù)哪康牟煌砂汛鷥斊餍捣譃閮纱箢悾阂活愂侵苯影惭b于人體上進行代償失去功能的器械，如各種假肢、輔助裝具等；另一類是裝設于人體外、且構成獨立系統(tǒng)的、起間接代償功能的器械，如各種環(huán)境控制裝置、醫(yī)療機械手、機器人、移動機械等。但是，不論是哪一種代償器械，都要使殘疾人自身能夠進行操作，所以器械的動作指令必須利用殘疾人殘存的機能。仿生機械學定義仿生機械與機器人技術、康復工程仿生機械實例3.結構仿生學與機械設計目前，可實際有效地利用的殘存機能大致有下列三種：(1)人體的機械運動位移。如利用身體某一部分運動所產(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)療機器人的一個重要課題。仿生機械學定義仿生機械與機器人技術、康復工程仿生機械實例3.結構仿生學與機械設計金屬結構材料空間結構復合材料仿生空間結構設計案例4.結構仿生學與航空航天工程常用金屬材料特點鋁合金鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性。鎂合金密度小，相對比強度、比剛度高，具有很好的減重作用。鋼具有良好的綜合力學性能，質量穩(wěn)定，價格低廉。鈦合金密度低，比強度高，耐腐蝕