Biomimetic Polymer Composites Bio-inspired Materials
第9章 仿生复合材料
- 探讨自然界的启示
Y. Lu
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古代
鲁班造锯：上山砍树，因带齿的丝茅草叶
划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动 的仿生例子。
现代
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自然界的智慧
• 隐身衣
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•
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3. 新干线列车(学习对象：翠鸟)
• 日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小时120英里(约合每小时 193公里)。但是，如此快的速度却有一个不利方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪 音，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入 了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气， 形成了一堵“风墙”。 当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨 大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水 一样“穿透”隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。翠鸟生 活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿 越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。 中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同 翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安 静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出15%。
自清洁表面（涂料，材料） 德国生物学家Barthlott发现
国家体育馆
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荷叶表面特征-1
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莲叶表面特征-2
• 微凸球（乳突）阵列
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滚动角（θA-θR）小，易滚动
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蝴蝶翅膀：自清洁性
• 微凸球（乳突）阵列 • 超疏水性
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生物材料的结构特征
• 分级结构（头发，木） • 纳米结构（荷叶，蝴蝶） • 膜结构
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仿生学和仿生材料学
• 原理-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物 结构、特点和功能的新学科。仿生是方法 • 结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结 构，优化的结构等） • 功能（催化，传输过程，分子识别等） • 从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系， 研发类似或优于生物材料的新材料
•
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7. 多刃锯(学习对象：树蜂)
• 不要害怕树蜂屁股上两根像鞭子一样的大大的针状物。它们不是刺儿， 而是“钻头”。树蜂利用这些针状物(有时比整个身体还长)在树上钻洞， 然后在里面“寄存”幼仔。多年来，生物学家一直不清楚树蜂“钻头” 的用法。与需要外力的传统钻洞方法不同，树蜂可以从任何角度毫不费 力地钻洞。经过几年的研究，科学家最终发现，树蜂的两根针状物可以 深入木头，然后像拉链一样锁起来锯东西。 • 英国巴斯大学的天文学家认为，树蜂的“钻头”在太空大有用武之地。 长久以来，科学家为了在火星上寻找生命，他们必须在火星表面凿洞。 但是，在几乎没有重力的火星环境下，他们不清楚是否能找到可以在坚 硬表面凿洞的压力。受树蜂的启发，研究人员设计出一种一侧有多余刀 刃的锯子，让它们像树蜂的“钻头”一样互相推。从理论上讲，这套装 置可以用于在无任何重力的流星的表面凿洞。
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仿生材料学（例）
• • • • • • • • • 荷叶效应 蝴蝶颜色 叶绿素的光合作用 生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂） 腱，头发和木的分级结构 骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构 贝壳韧性（薄壳结构） 蛛丝强度 蜂窝结构的稳定性
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荷叶效应（Lotus Effect）
•
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无叶片的风扇
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5. 在水面行走的机器人(学习对 象：蛇怪蜥蜴)
• 蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(Jesus Christ lizard)，这种称呼还是 有一定道理的，因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕， 不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因为它 能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机 器人技术教授梅廷·斯蒂(Metin Sitti)正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在 的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时，他深受启发，决定 尝试制造一个具有相同本领的机器人。 这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水 面保持完美接触。经过几个月的努力，斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走 的机器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机械装置偶尔会翻滚，沉 入水中。在他克服了重重障碍以后，一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光 明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。
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贝壳：95% CaCO3/ 5%蛋白质基体
复合材料
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增韧机理：有机基体纤维化的作用
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增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构 （稳定性好）
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珍珠：砖墙结构和蜂窝结构
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骨：复合材料
（胶原为基体，磷酸钙为分散相）
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仿骨哑铃形状-拉伸-增强机理
脱粘，拔出，断裂
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树根：自修复 复合材料自愈合
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十大仿生技术
1. 塑料涂层(学习对象：鲨鱼)
• 细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断 将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上，尽管不是故意的。事实上，美国每年有多 达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁 ——长达一亿多年。如今，正是由于鲨鱼这一特性，细菌感染可能会重蹈恐龙的覆辙—— 从地球上彻底消失。 与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼· 布伦南(Tony Brennan)带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一 (Tony Brennan) 2003 直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后 ，他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。 黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的 细菌也就没有了栖身之所。 一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌 的涂层材料。今天，该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层，目前正在医院患者接触频率 最高的一些地方进行实验，比如开关、监控器和把手。迄今为止，这种技术看上去确实可 以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标：下一步是开发一种可以消除另一个常见感染 源——尿液管——的塑料涂层。
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形状仿生
• 蚂蚁车
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4Hale Waihona Puke 2007自然法则• 能量最小原则（非共价键，室温，光合作用） • 最优化原则（优胜劣汰-隐身色） • 功能适应性原则（进化）
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生物材料的特征
• 最小能量判据 - 化学反应发生在低（室）温 - 氢键, 亲水/疏水相互作用 - 分级结构（分子组装） • 优化的性能（功能） - 手性 - 液晶（取向） - 对刺激的响应性 • 生物循环圈 - 起始材料（C, H, O, Si）简单 - 可修复，可再生 6
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4. 风扇叶片(学习对象：驼背鲸)
• 美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克·费什(Frank Fish)教授 表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以 从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起，它们在水下可以令鲸 鱼轻松在海洋中游动。但是，根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累赘，但现实中却帮 助鲸鱼游动自如。 于是，费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞，看它挑 战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得状肢更符合空气动力学原理。费什发现，它 们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成鳍不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费 什的发现现在叫做“结节效应”(tubercle effect)，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的 叶片和机翼。 根据这项研究，费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片，令其空气动力学效率比标准设计提升 20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片，不久将开始申请使用其节能技术，用以改 善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为，在风力涡 轮机的叶片增加一些隆起，将使风力发电产业发生革命性变革，令风力的价值比以前任何时候 都重要。
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2. 音波手杖(学习对象：蝙蝠)
• 这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学 家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在 英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手 杖(Ultracane)的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振 动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉 系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波 脉冲，并等待它们返回。 当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附 近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可 以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事 物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音 ，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾 客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图 利用同样的技术，开发出适销对路的产品。