結(jié)構(gòu)仿生學(xué) 課件全套 第1-5章 生物結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)仿生學(xué)-結(jié)構(gòu)仿生學(xué)典型應(yīng)用案例

生物結(jié)構(gòu)生物結(jié)構(gòu)特征規(guī)律生物結(jié)構(gòu)建模結(jié)構(gòu)仿生分類結(jié)構(gòu)仿生基本規(guī)則結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)仿生學(xué)（StructuralBionics）是以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的形態(tài)以獲得靈感，進(jìn)而對材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬，提高工程結(jié)構(gòu)效率的一門學(xué)科。1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)生物結(jié)構(gòu)是指生物體或其組成部分，如組織、器官等的構(gòu)成模式，是生物行為、功能所以有效發(fā)揮的保證，是生物體的骨架、支撐、橋梁和紐帶。1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)（1）構(gòu)件：可以是點(diǎn)、線、面、體、群。同類：形狀、材質(zhì)、尺度相同；有單類、多類；同形：僅形狀相同，有單形、多形；同質(zhì)：僅材質(zhì)相同，有單材、多材；同尺度：僅尺度相同，有單尺度、多尺度。（2）構(gòu)材：結(jié)構(gòu)中構(gòu)體組成空間內(nèi)的材料（連接材料）。（3）聯(lián)結(jié)：構(gòu)件與構(gòu)件、構(gòu)件與構(gòu)材、構(gòu)材與基體之間的聯(lián)結(jié)（不是都有，如單質(zhì)材料就沒有）。1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)（1）按幾何維度分0維、一維、二維、三維、多維結(jié)構(gòu)（2）按生物結(jié)構(gòu)特征分構(gòu)件、構(gòu)材、聯(lián)結(jié)（3）按生物結(jié)構(gòu)尺度分宏觀、微觀、超微、分子結(jié)構(gòu)（4）按學(xué)科分幾何、數(shù)學(xué)、物理、生物學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)（5）按工程性能分剛性、彈性、柔性、硬質(zhì)、功能結(jié)構(gòu)1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)（1）生物學(xué)意義：結(jié)構(gòu)的原理、機(jī)制、功能促進(jìn)生物學(xué)研究深化、發(fā)展，因?yàn)槿我簧矬w或其任一組織、器官都有其自身的結(jié)構(gòu)。（2）工程學(xué)意義：生物結(jié)構(gòu)是經(jīng)過億萬年的生物進(jìn)化形成的結(jié)果。選擇合適的在工程學(xué)領(lǐng)域進(jìn)化仿生，不僅能夠促進(jìn)該學(xué)科的發(fā)展，還能夠產(chǎn)生新的構(gòu)思、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。同時(shí)，這也推動(dòng)了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)這一新興學(xué)科的發(fā)展。（3）藝術(shù)意義：對建筑藝術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)藝術(shù)，也是促進(jìn)和提升。（1）多樣性：結(jié)構(gòu)因素多、組合多；（2）普遍性：有生物即有生物結(jié)構(gòu)；（3）復(fù)雜性：多層、多級(jí)、復(fù)合、嵌合、耦合、交疊、變化（運(yùn)動(dòng)）；（4）功能性：結(jié)構(gòu)孕育功能，功能寓于結(jié)構(gòu)。有單一功能的結(jié)構(gòu)，也有多功能集一身的結(jié)構(gòu)。2.生物結(jié)構(gòu)特征規(guī)律（1）幾何模型：歐氏幾何，如蜂巢（正六邊形），非歐氏幾何等；（2）數(shù)學(xué)模型：仿真模型、試驗(yàn)優(yōu)化模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；（3）物理模型：力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型等；（4）化學(xué)模型：分子結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)等；（5）生物模型：器官、組織、細(xì)胞等。3.生物結(jié)構(gòu)建模（1）幾何結(jié)構(gòu)仿生：規(guī)則幾何、非規(guī)則幾何（如拓?fù)?、分形幾何等）、?fù)合幾何結(jié)構(gòu)；（2）數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)仿生：仿真模型、試驗(yàn)優(yōu)化模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；（3）物理結(jié)構(gòu)仿生：機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生等；（4）化學(xué)結(jié)構(gòu)仿生：分子仿生學(xué)等；（5）建筑結(jié)構(gòu)仿生：包括建筑藝術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)仿生等；（5）耦合結(jié)構(gòu)仿生：用上述（1）~（4）方法之一或以上進(jìn)行耦合仿生。4.結(jié)構(gòu)仿生分類（1）滿足工程技術(shù)領(lǐng)域關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則；（2）充分利用生物學(xué)準(zhǔn)則：（3）結(jié)構(gòu)仿生也盡力做到理論仿生，由生物結(jié)構(gòu)原理獲得功能仿生原理；（4）遵循仿生學(xué)基本原理和規(guī)律；（5）優(yōu)化仿生結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)集、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)集、技術(shù)參數(shù)集和功能性指標(biāo)集時(shí)，應(yīng)在保證仿生結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，著重考慮總功能指標(biāo)集的保證。5.結(jié)構(gòu)仿生基本規(guī)則結(jié)構(gòu)仿生學(xué)研究的對象是生物結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、構(gòu)材及聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，已在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的出現(xiàn)為我們提供了一種新的研究思路，有助于設(shè)計(jì)出更多性能優(yōu)異的產(chǎn)品或者結(jié)構(gòu)。開展結(jié)構(gòu)仿生研究，需要多個(gè)學(xué)科和工程專業(yè)知識(shí)合作研究。未來的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以真正成為仿生智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。6.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀1.討論討論自然界中存在的結(jié)構(gòu)及可能的仿生應(yīng)用。

討論參考點(diǎn)：結(jié)合生活中應(yīng)用及存在的問題，在自然界中尋求可能的仿生解決方案。討論結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展方向。討論參考點(diǎn)：結(jié)合結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀，從構(gòu)件、構(gòu)材和聯(lián)結(jié)三方面討論未來可能發(fā)展方向。2.習(xí)題試述生物結(jié)構(gòu)概念及構(gòu)成。試述結(jié)構(gòu)仿生學(xué)概念及基本規(guī)則。生物材料特性生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料結(jié)構(gòu)仿生仿貝殼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例自組裝分級(jí)結(jié)構(gòu)自修復(fù)水合作用多功能合成條件環(huán)境適應(yīng)性1.生物材料特性自組裝分級(jí)結(jié)構(gòu)多功能自修復(fù)進(jìn)化和環(huán)境適應(yīng)性水合作用溫和的合成條件生物材料生物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)元素纖維螺旋重疊縫合梯度細(xì)胞管狀層狀生物材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生方式2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式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)合使得生物材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一常規(guī)材料的綜合性能。2.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料表面結(jié)構(gòu)仿生包括表面幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、表面能、電荷、極性、親水性、疏水性、鍵合種類仿生等，屬于生物構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生。2.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生包括材料內(nèi)部微/納結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)、光特性、電磁特性仿生等，屬于生物構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生。2.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料空間結(jié)構(gòu)形式包括拱結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)仿生等，屬于生物構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)仿生。2.2構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式有機(jī)物形成過程及仿生無機(jī)物形成過程及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式（1）臨近效應(yīng)——酶可以把兩個(gè)底物結(jié)合在活性部位上使之彼此靠近，并具有一定取向；（2）多元催化——即個(gè)基元催化反應(yīng)結(jié)合在一起共同進(jìn)行；（3）微環(huán)境效應(yīng)——酶的活性中心相當(dāng)于微環(huán)境；（4）誘導(dǎo)契合效應(yīng)——酶與底物結(jié)合時(shí)可以改變底物的構(gòu)象，部分地包圍底物，使催化基團(tuán)處于最有利的位置；（5）底物變形效應(yīng)——酶與底物結(jié)合后，一部分結(jié)合能用來削弱底物的某些鍵，使底物較接近它的過渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能。2.2構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式有機(jī)物形成過程及仿生無機(jī)物形成過程及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物礦化一般可分為四個(gè)階段：（1）有機(jī)大分子預(yù)組織；（2）界面分子識(shí)別；（3）生長調(diào)制，無機(jī)相通過晶體生長進(jìn)行組裝得到亞單元，同時(shí)形態(tài)、大小、取向和結(jié)構(gòu)受到有機(jī)分子組裝體的控制；（4）細(xì)胞加工，在細(xì)胞參與下亞單元組裝成高級(jí)的結(jié)構(gòu)，這個(gè)階段是造成生物礦化材料與人工材料差別的主要原因。2.3構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與基體聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物結(jié)構(gòu)構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)方式包括點(diǎn)陣、桁架、網(wǎng)絡(luò)、層疊、交疊、發(fā)散等。2.3構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與基體聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物結(jié)構(gòu)構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)方式包括嵌合、復(fù)合、耦合、梯度、多孔、中空等。2.3構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與基體聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式2.4仿貝殼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例確立產(chǎn)品/目的需求和選取生物對象提取仿生對象特征和簡化仿生對象特征制備結(jié)構(gòu)仿生材料2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式1.討論生物材料具有的功能特性哪些是與其結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的。討論參考點(diǎn)：生物結(jié)構(gòu)是生物行為、功能所以有效發(fā)揮的保證，是生物體的骨架、支撐、橋梁和紐帶。生物材料具備的力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等特性是由其結(jié)構(gòu)特性調(diào)控的么？討論參考點(diǎn)：生物結(jié)構(gòu)包括構(gòu)件、構(gòu)材和聯(lián)結(jié)。2.習(xí)題試述生物材料結(jié)構(gòu)特性。生物材料的結(jié)構(gòu)仿生方式包括什么？壁虎爪趾的結(jié)構(gòu)特征是什么？其與力學(xué)性能的關(guān)系？鯊魚鱗片微觀結(jié)構(gòu)特征與其力學(xué)性能關(guān)系？試述甲蟲鞘翅結(jié)構(gòu)色的主要構(gòu)色機(jī)制及其對仿生變色材料的啟發(fā)作用。試述骨中主要有機(jī)相及其結(jié)構(gòu)特征。試述珍珠層的增韌機(jī)理及其對于陶瓷材料增韌的啟發(fā)作用。影響竹的力學(xué)性能的主要因素是什么？結(jié)構(gòu)靜力學(xué)彈性力學(xué)多孔彈性理論流體力學(xué)流變力學(xué)耦合應(yīng)力理論美國華盛頓州塔科馬海峽大橋坍塌事件平面體系的幾何構(gòu)造分析靜定結(jié)構(gòu)受力分析虛功原理與結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算力法位移法力矩分配法1.結(jié)構(gòu)靜力學(xué)在彈性力學(xué)中，應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系是對遵守胡克定律的完全彈性體而言的。在小變形的情況下，應(yīng)力在彈性限度范圍內(nèi)，大多數(shù)的實(shí)際材料都可以視為彈性體。當(dāng)一個(gè)物體所受載荷不超過其比例極限時(shí)，荷載與變形成線性關(guān)系，即物體服從胡克定律。如果將外部載荷去除后，物體的變形可以完全恢復(fù)，即沒有殘余變形，則該物體稱為線性彈性體，簡稱線彈性體。2.彈性力學(xué)構(gòu)成生命體的功能活性材料（組織、細(xì)胞、細(xì)胞核等）是由間質(zhì)流體等液體與蛋白纖維網(wǎng)絡(luò)等固體骨架組成的生物含液多孔材料。最新研究表明，細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核可視為多孔彈性材料。固體變形應(yīng)變場與流體滲流場相互作用、相互影響，其流-固耦合力學(xué)行為可通過畢奧（Biot）多孔彈性理論來描述。3.多孔彈性理論流體力學(xué)是研究在力的作用下，流體自身的靜止和流動(dòng)狀態(tài)以及流體與固體界面之間的相互作用和流動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。生物體內(nèi)包含著大量的液體，在生物力學(xué)研究中，流體力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法經(jīng)常被用來研究相關(guān)問題。流體力學(xué)的主要理論基礎(chǔ)包括三大基本方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。4.流體力學(xué)既有固體的變形特性又有流體的流動(dòng)特性的物體稱為流變體。如果把胡克彈性固體和牛頓黏性流體作為流變體中的兩個(gè)極端，世界上所有的物質(zhì)都屬于流變體。流變體力學(xué)研究物質(zhì)變形與運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，簡稱流變力學(xué)。由于對胡克固體和牛頓流體研究得比較全面和深入，習(xí)慣上還是將不符合胡克定律的固體和不符合牛頓黏性定律的流體歸于流變體，分別稱為流變固體和流變流體。按研究目的和方法不同，流變力學(xué)分為宏觀和微觀兩類。前者注重流變體的宏觀性質(zhì)，基本目的是建立本構(gòu)方程；后者注重材料的微觀結(jié)構(gòu)，揭示宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究生物材料的流變特性已成為獨(dú)立的分支，稱為生物流變學(xué)。5.流變力學(xué)流變固體的時(shí)間效應(yīng)黏彈性模型自修復(fù)積分型本構(gòu)關(guān)系非線性黏彈性本構(gòu)關(guān)系非牛頓流體廣義牛頓流體觸變性流體6.耦合應(yīng)力理論1.討論超材料與結(jié)構(gòu)仿生材料的異同點(diǎn)。討論具體結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中涉及的力學(xué)理論。2.習(xí)題從幾何角度來看，結(jié)構(gòu)可分為()。A.復(fù)雜的桿件和板殼 B.梁、剛架、桁架、拱C.桿件結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu) D.平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過程構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過程包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：從生物體中獲取靈感，學(xué)習(xí)自然界中的智慧和設(shè)計(jì)原則；分析生物體的結(jié)構(gòu)與功能，找到適合仿生設(shè)計(jì)的特點(diǎn)；利用先進(jìn)的技術(shù)手段，如計(jì)算機(jī)模擬和3D打印等，將生物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為工程結(jié)構(gòu)；不斷測試和改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保仿生結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)越的性能和效果。通過這一過程，結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)生物體的智慧與技術(shù)的結(jié)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(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過程表面減阻功能結(jié)構(gòu)減阻表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)原理仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)范例2.構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)表面功能結(jié)構(gòu)按功能，可分為：表面附著脫附功能結(jié)構(gòu)、表面熱功能結(jié)構(gòu)、表面反應(yīng)功能結(jié)構(gòu)、表面減阻功能結(jié)構(gòu)（包括表面疏水減阻功能結(jié)構(gòu)、表面織構(gòu)減阻功能結(jié)構(gòu)）、表面減阻降噪功能結(jié)構(gòu)、表面生物功能結(jié)構(gòu)、表面超疏水自潔功能結(jié)構(gòu)、表面視頻隱身功能結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)色調(diào)整功能結(jié)構(gòu)、表面仿生耦合功能結(jié)構(gòu)等。表面減阻功能結(jié)構(gòu)減阻表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)原理仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)范例2.構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)該技術(shù)遵循以下三個(gè)理論：①附加流體動(dòng)壓效應(yīng)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(dāng)微小流體動(dòng)壓潤滑軸承，從而產(chǎn)生附加流體動(dòng)壓力；②“二次潤滑”理論：微坑或微溝槽可以作為微儲(chǔ)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(jié)構(gòu)減阻表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)原理仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)范例2.構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)仿生深松鏟設(shè)計(jì)及減阻機(jī)理深松鏟與土壤相互作用過程離散元仿真分析自修復(fù)涂層制備及性能田間驗(yàn)證試驗(yàn)及機(jī)理分析仿生步進(jìn)執(zhí)行器仿生步進(jìn)執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器設(shè)計(jì)范例3.智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)仿生步進(jìn)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(xué)儀器、航空航天等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的應(yīng)用。仿生步進(jìn)執(zhí)行器仿生步進(jìn)執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器設(shè)計(jì)范例3.智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)壓電材料柔性鉸鏈仿生步進(jìn)執(zhí)行器仿生步進(jìn)執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器設(shè)計(jì)范例3.智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)尺蠖式仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器海豹式仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器慣性式仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器梯度結(jié)構(gòu)一般性質(zhì)仿生梯度材料設(shè)計(jì)原理仿生梯度材料設(shè)計(jì)范例4.構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(zhì)材料，通過逐步改變這兩種（或多種）材料的成分或/和結(jié)構(gòu)，使得材料性能隨著材料的組成或/和結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)梯度以及取向梯度，梯度結(jié)構(gòu)一般性質(zhì)仿生梯度材料設(shè)計(jì)原理仿生梯度材料設(shè)計(jì)范例4.構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)在材料設(shè)計(jì)和演變過程中，梯度從根本上與兩種成分的變化有關(guān)，即化學(xué)成分/成分和結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)一步涉及結(jié)構(gòu)建筑單元的排列、分布、尺寸和方向。此外，界面在維持結(jié)構(gòu)完整性和支持生物材料的特定功能方面起著關(guān)鍵作用。梯度結(jié)構(gòu)一般性質(zhì)仿生梯度材料設(shè)計(jì)原理仿生梯度材料設(shè)計(jì)范例4.構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)仿生變剛度椎間盤設(shè)計(jì)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(yàn)驗(yàn)證及機(jī)理分析點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料拓?fù)鋬?yōu)化方法仿竹吸能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例5.聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料具有出色的物理、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)性能，遠(yuǎn)超普通固體材料。其突出特點(diǎn)包括超輕重量、優(yōu)異能量吸收、高比強(qiáng)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在汽車工程、光電子、生物科學(xué)和航空航天等領(lǐng)域備受關(guān)注。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料拓?fù)鋬?yōu)化方法仿竹吸能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例5.聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料拓?fù)鋬?yōu)化方法仿竹吸能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例5.聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)壓縮力學(xué)建模方法設(shè)計(jì)原理數(shù)值優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證及機(jī)理分析討論就你接觸或了解的一種仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分析其設(shè)計(jì)考慮因素及設(shè)計(jì)思路。討論參考：參考結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過程。習(xí)題試述仿生減阻功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素。試述構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素。試述聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素。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(shí)，會(huì)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(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)三個(gè)基本要素。智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)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(shí)代性。抽象的討論，是從城市發(fā)展的角度來認(rèn)識(shí)。在“全球化”的語境下，“地域性”這個(gè)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(dòng)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(cuò)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(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)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(gè)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(gè)范疇：一個(gè)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(gè)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