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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,2007,Y.Lu,1,Biomimetic Polymer CompositesBio-inspired Materials,第,9,章 仿生復(fù)合材料,-,探討自然界的啟示,2,古代,魯班造鋸：,上山砍樹，因帶齒的絲茅草葉劃破手指而發(fā)明了鋸子，是一個古老而生動的仿生例子。,現(xiàn)代,3,自然界的智慧,隱身衣,當光線照射到一個物體時，物體會將光線反射回來。反射的光線

2、進入人們的眼睛，于是眼睛就看到了該物體。這就是物體可見的原理。而由“超材料”制成的隱形衣則具有負反射率的特點，可以緊緊吸住照射過來的光波，讓光波輻射沿最內(nèi)圈彎曲，只停留在衣服周邊緩慢波動，而不會反射出去，于是就產(chǎn)生了隱形效果。穿上隱形衣的人也將隱藏于其中。,4,形狀仿生,螞蟻車,5,自然法則,能量最小原則（非共價鍵，室溫，光合作用）,最優(yōu)化原則（優(yōu)勝劣汰,-,隱身色）,功能適應(yīng)性原則（進化）,6,生物材料的特征,最小能量判據(jù) -化學反應(yīng)發(fā)生在低（室）溫 -氫鍵,親水/疏水相互作用,-,分級結(jié)構(gòu)（分子組裝）,優(yōu)化的性能（功能）-手性 -液晶（取向）-對刺激的響應(yīng)性,生物循環(huán)圈 -起始材料（,C,

3、H,O,Si）,簡單 -可修復(fù)，可再生,7,生物材料的結(jié)構(gòu)特征,分級結(jié)構(gòu)（頭發(fā)，木）,納米結(jié)構(gòu)（荷葉，蝴蝶）,膜結(jié)構(gòu),8,仿生學和仿生材料學,原理,-,向生物學習，模仿或取得啟示，仿造具有生物結(jié)構(gòu)、特點和功能的新學科。,仿生是方法,結(jié)構(gòu),（可降解的肽鍵，氫鍵，自組裝結(jié)構(gòu)，分級結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)等）,功能,（催化，傳輸過程，分子識別等）,從分子水平研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)效關(guān)系，研發(fā)類似或優(yōu)于生物材料的,新材料,9,仿生材料學（例）,荷葉效應(yīng),蝴蝶顏色,葉綠素的光合作用,生物膜結(jié)構(gòu)與功能（植物細胞壁，類脂）,腱，頭發(fā)和木的分級結(jié)構(gòu),骨和昆蟲殼（皮）的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),貝殼韌性（薄殼結(jié)構(gòu)）,蛛絲強

4、度,蜂窩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,10,荷葉效應(yīng)（,Lotus Effect）,自清潔表面（涂料，材料）德國生物學家,Barthlott,發(fā)現(xiàn),國家體育館,11,荷葉表面特征-1,12,蓮葉表面特征-2,微凸球（乳突）陣列,13,滾動角（,A,-,R,）小，易滾動,14,蝴蝶翅膀：自清潔性,微凸球（乳突）陣列,超疏水性,15,蝴蝶翅膀：結(jié)構(gòu)色,16,蛛絲：強而韌,蛛絲（蛋白質(zhì)纖維）是世界上最堅韌的纖維材料。杜邦公司利用基因技術(shù)，已制造出具有蛛絲特性的蛋白質(zhì)并制成纖維，具有更高的強度、韌性和耐磨性。,液晶紡絲,1.4,萬只蜘蛛產(chǎn)出的蛛絲僅有,1,盎司（約,28.35,克）,17,蛛絲紡織品（六氟異丙醇溶液）

5、,70,名工人花了,4,年時間收集了,100,多萬只金色球體蜘蛛，而另外十幾名工人則從每只蜘蛛身上抽取了約,80,英尺（約,24.4,米）長的蛛絲，紡織成這塊,11,英尺,4,英尺的,披肩,（重,1.18kg,）,18,昆蟲殼-甲殼質(zhì)纖維,/,蛋白質(zhì)基體復(fù)合材料,19,貝殼：,95%,CaCO3/5%,蛋白質(zhì)基體,復(fù)合材料,20,增韌機理：,有機基體纖維化的作用,21,增韌機理：磚墻結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)（穩(wěn)定性好）,22,珍珠：磚墻結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu),23,骨：復(fù)合材料,（膠原為基體，磷酸鈣為分散相）,24,仿骨啞鈴形狀,-,拉伸,-,增強機理,脫粘，拔出，斷裂,25,樹根：自修復(fù),復(fù)合材料自愈合,26

6、,1.,塑料涂層,(,學習對象：鯊魚,),細菌感染恐怕是最令醫(yī)院頭疼的一件事，無論醫(yī)生和護士洗手的頻率有多高，他們?nèi)圆粩鄬⒓毦筒《緩囊粋€患者傳到另一個患者身上，盡管不是故意的。事實上，美國每年有多達,10,萬人死于他們在醫(yī)院感染的細菌疾病。但是,，鯊魚卻可以讓自己的身體長久保持清潔,長達一億多年。如今，正是由于鯊魚這一特性，細菌感染可能會重蹈恐龍的覆轍,從地球上徹底消失。,與其他大型海洋動物不同，鯊魚身體不會積聚黏液、水藻和藤壺。這一現(xiàn)象給工程師托尼,布倫南,(Tony Brennan),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,為美國海軍艦艇設(shè)計更能有效

7、預(yù)防藤壺的涂層,。在對鯊魚皮展開進一步研究以后，他發(fā)現(xiàn),鯊魚整個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菌也就沒有了棲身之所。,一家叫,Sharklet,的公司對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行實驗，比如開關(guān)、監(jiān)控器和把手。迄今為止，這種技術(shù)看上去確實可以趕走細菌。,Sharklet,公司還有更宏偉的目標：下一步是開發(fā)一種可以消除另一個常見感染源,尿液管,的塑料涂層。,十

8、大仿生技術(shù),27,2.,音波手杖,(,學習對象：蝙蝠,),這聽上去就像一個糟糕玩笑的開頭：一位大腦專家、一位生物學家和一位工程師走進了同一家餐廳。然而，這種事情確實發(fā)生在英國利茲大學，幾個不同領(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,，在靠近物體時會振動。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,6,萬個的速度發(fā)送超聲波脈沖，并等待它們返回。,當一些超聲波脈沖回來的時間超過別的超聲波脈沖時，這表明附近有物體，引起手杖產(chǎn)生震動。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，

9、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會發(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)顧客排隊購買的熱賣景象，但美國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)出適銷對路的產(chǎn)品。,28,3.,新干線列車,(,學習對象：翠鳥,),日本第一列新干線列車在,1964,年建造出來的時候，它的速度達到每小時,120,英里,(,約合每小時,193,公里,),。但是，如此快的速度卻有一個不利方面，,列車駛出隧道時總會發(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，日本工程師中津英治,(Eiji Nakatsu),介入了這件事。中津英治還是一位鳥類

10、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“風墻”。,當這堵墻同隧道外面的空氣相碰撞時，便產(chǎn)生了震耳欲聾的響聲，這本身對列車施加了巨大的壓力。中津英治在對這個問題仔細分析之后，意識到新干線必須要像跳水運動員入水一樣“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，從水面穿過時幾乎不產(chǎn)生一點漣漪。,中津英治對不同外形的新干線列車進行了實驗，發(fā)現(xiàn)迄今最能穿透那堵風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長的像鳥喙一樣的車頭，令其相對安靜地離開隧道。事實上，

11、外形經(jīng)過改進的新干線列車的速度比以前快,10%,，能效高出,15%,。,29,4.,風扇葉片,(,學習對象：駝背鯨,),美國賓夕法尼亞大學西切斯特分校流體動力學專家、海洋生物學家弗蘭克,費什,(Frank Fish),教授表示，他從海洋深處找到了解決當前世界能源危機的辦法。費什注意到，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，它們在水下可以令鯨魚輕松在海洋中游動。但是，根據(jù)流體力學原則，這些隆起應(yīng)該會是鰭的累贅，但現(xiàn)實中卻幫助鯨魚游動自如。,于是，費什決定對此展開調(diào)查。他將一個,12,英尺,(,約合,3.65,米,),長的鰭狀肢模型放入風洞，看它挑戰(zhàn)我們

12、對物理學的理解。這些名為結(jié)節(jié)的隆起使得狀肢更符合空氣動力學原理。費什發(fā)現(xiàn)，它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經(jīng)過的空氣分成鰭不同部分，就像是刷毛穿過空氣一樣。費什的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在叫做“,結(jié)節(jié)效應(yīng),”,(tubercle effect),，不僅能用于各種水下航行器，還應(yīng)用于風機的葉片和機翼。,根據(jù)這項研究，費什,為風扇設(shè)計出邊緣有隆起的葉片,，令其空氣動力學效率比標準設(shè)計提升,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扇性能。費什技術(shù)的更大用途則是用于風能。他認為，在風力渦輪機的葉片增加一些隆起，將使風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變革，令風力

13、的價值比以前任何時候都重要。,30,無葉片的風扇,31,5.,在水面行走的機器人,(,學習對象：蛇怪蜥蜴,),蛇怪蜥蜴,(basilisk lizard),常常被稱為是“耶穌蜥蜴”,(Jesus Christ lizard),，這種稱呼還是有一定道理的，因為它能在水上走。很多昆蟲具有類似本領(lǐng)，但它們一般身輕如燕，不會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”，是因為它能以,合適的角度擺動兩條腿，令身體向上挺、向前沖,。,2003,年，卡內(nèi)基梅隆大學的機器人技術(shù)教授梅廷,斯蒂,(Metin Sitti),正從事這方面的教學工作，重點是研究自然界存在的機械力學。當他在課堂以蛇怪蜥

14、蜴作為奇特的生物力學案例時，他深受啟發(fā)，決定嘗試制造一個具有相同本領(lǐng)的機器人。,這是一項費時費力的工作。發(fā)動機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)過幾個月的努力，斯蒂和他的學生終于造出第一個能在水面行走的機器人。盡管如此，斯蒂的設(shè)計仍有待進一步完善。這個機械裝置偶爾會翻滾，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器人便可能見到光明的未來。我們或許可以用它去監(jiān)測水庫中的水質(zhì)，甚至在洪水期間幫助營救災(zāi)民。,32,6.,太陽能電池板,(,學習對象：馬勃菌,),橙黃色的馬勃菌海綿,(puffball sponge),并不多見，它基本上是一種生活在海底的“碰

15、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)，無時無刻不在過濾水體。然而，這種并不招搖的生物或許會是未來技術(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，但有一點不同：我們在制造這些材料時需要大量能量和各種各樣的有毒化學物質(zhì)。,馬勃菌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，就能把這兩種化學物質(zhì)變成需要的外形。美國加州大學圣巴巴拉分校生物技術(shù)教授丹尼爾,摩斯,(Daniel Morse),研究了馬勃菌海綿酶的特性，并在,2006,年成功進行了復(fù)制。他通過清潔、效率很高的

16、,海綿技術(shù),制出大量電極。當前，多家公司將投資數(shù)百萬美元創(chuàng)建一個企業(yè)聯(lián)盟，將類似產(chǎn)品推向市場。幾年以后，當太陽能電池板忽然出現(xiàn)在美國每家每戶的屋頂上，微芯片只賣幾美元的時候，千萬不要忘了感謝讓這一切成為現(xiàn)實的不起眼的馬勃菌。,33,7.,多刃鋸,(,學習對象：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,(,有時比整個身體還長,),在樹上鉆洞，然后在里面“寄存”幼仔。多年來，生物學家一直不清楚樹蜂“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力地鉆洞。經(jīng)過幾年的研究，科學家最終發(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,。,英國巴斯大學的天文學家認為，樹蜂的“鉆頭”在太空大有用武之地。長久以來，科學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硬表面鑿洞的壓力。受樹蜂的啟發(fā)，研究人員設(shè)計出一種一側(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。,34,8