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骨针具有优异的光学性能和机械性能
• • 早在1994 年 Gaino 等就发现，硅质骨针束能收集微弱的光沿其硅质管传输给与海绵共生的海藻， 供其进行光合作用。Cattaneo-Vietti等进一步指出了取自南极的一种长的海绵骨针具有光纤作用。 21 世纪初，美国贝尔实验室则更系统地研究了六放海绵纲拂子偕科偕老同穴属一种Euplectella aspergillum 的骨针的光学性能及其结构之间的关系。发现其光导性能非常类似于商业光纤的性能， 可有效的连接光纤网络。 随着近年来人们发现其骨骼的基本组成单位骨针具有优异的光导性能和机械性能, 海绵生物硅化过 程及仿生纳米和微米硅质生物材料合成的研究成为生物技术和材料科学的热点。
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简.班那斯
1.自组装 Self-assembly
• 仿生体系的分子组装是化学、物理学、生物学和材料学等交叉领域的一个研究热点，以模拟 自然现象或生物体结构和功能为基础，用分子自组装的手段构建仿生或生物启发的纳米结构 化材料是其主要研究方向之一。 • 目前许多研究人员正利用超分子自组装方法，构筑具有特定物理、化学性质和生物学功能组 装体，并探索其在新型功能材料、超分子药物载体、生物界面和组织工程方面的应用。同时， 生物启发的材料和体系、自适应性材料、纳米材料、层次结构材料、三维复合材料和绿色材 料等将成为未来先进技术发展所关注的焦点。 • 分子仿生的理念和思路是近年来国际科技界普遍关注的一个前沿热点，也必将在探索生物世 界的奥秘、新材料合成和新型功能器件的研制等方面发挥重要作用。 • 作为高分子领域一项新兴的技术，自组装技术发展的时间并不长。由于其研究成果还有待成 熟，对于绝大多数人来说，还难以感觉到这项技术的出现将对科技进步和经济发展所产生的 巨大推动。
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Biomimicry现在已经成为了进来该领域学术会议的热门话题。它作为一种新的方法论 的学科，给设计、科学、工业等领域，企业甚至个人带来了全新的思维和设计方式， 就是借鉴自然界的智慧和设计法则。 Biomimicry来之于德语bios，意为“life（生命）”，和mimesis，意为“imitate（模 仿）”。
仿生学研究的前景
土木工程学院 测绘(1)班 任甲营 11340115
设计更 绿 的未来
A greener future……
绿是指无污染源或虽有小污染源、但能自我净化处理的建筑或其他
产品。它对周围自然环境无污染或污染程度极小, 且具有适应周围自 然环境的性能, 并对周围自然环境的净化、恢复具有一定的补偿作用。
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海绵骨针的光传输实验图 The experiment to transmit light through sponge spicule
骨针具有优异的光学性能和机械性能
美国贝尔实验室的Aizenberg 博士等利用扫描电子 显微镜（SEM）系统研究了海绵Euplectella 的整 个骨架结构，发现了骨针复杂的内部结构：其基本 构件是一根根的针状体，而这些针状体是由一层层 同心圆状的硅薄层及有机质芯（中心丝）构成（图 2）。进一步研究表明，海绵的整个骨架是由硅纳 米颗粒围绕中心丝通过分级（七级）机制自组装而 成。这种分级机制形成的海绵骨架克服了玻璃物质 （SiO 2）的脆性，具有较大的硬度和较好的稳定 性。另外，贝尔实验室的科学家还检验了骨针的柔 韧性，称它耐弯，甚至打结也不会断裂。ine Sponge）是地球上最古老、最简单的多细胞水生动物，也是一种营固着生活的动物，常 附着在岩石、贝壳、木质结构、介壳或其它水生植物上。寒武纪是海绵最繁盛的时代,经数亿年的演化. 通常认为现今的海绵主要有：寻常海绵（Dem ospongiae）、六射海绵（Hexactinellida）和钙质海绵 （Calcarea）三个纲。
生物硅化材料
• 硅元素(Si)在地壳中的丰度为28%, 是仅次于氧元素丰度第二高的元素, 同时也广泛分布在生物圈中, 在所 有生物中都能找到硅的存在, 其中一些生物能够用来构成稳定的结构(如骨骼, 主要是以二氧化硅形式)。 据估计, 二氧化硅是仅次于碳酸盐的第二大量生物矿物。这种生物矿化二氧化硅主要存在于各种单细胞 藻类(60 000~100 000 种硅藻)、细菌、海绵(约6000 种)、原生动物如稀孔虫目(Phaeodaria)、领鞭毛虫 (Choanoflagellates)、硅鞭毛虫(Silicoflagellates))和高等植物体内。 生物体通过生物矿化过程合成二氧化硅的过程被成为生物硅化作用(Biosilicification)。其中海绵与硅藻 是海洋中主要的生物硅化者。其中超过90%的海绵能够通过生物硅化作用构建起硅质骨骼。
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Biomimicry是一种基于可持续发展理念的的设计原理，通过学习和模仿经受了悠久时 间考验的具有优异特性的自然界来解决人类遇到的各种问题。
Biomimicry的核心理念是在优胜劣汰的残酷环境中生存下来具有卓越能力的大自然， 它们已经解决了无数设计师绞尽脑汁仍无法解答的各种问题。运用这些自然法则可以 非常有效地帮助设计师解决产品设计、生产流程和产品策略中的各种问题，从长远看， 也是为了更好地适应我们人类赖以生存的地球。
“维纳斯花篮”（Venus’ Flower Basket）
“维纳斯花篮”（Venus’ Flower Basket）
生物硅化过程
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传统纳米至介孔尺度无机材料的制备需要高温固态反应(如大于1000°C)或在强酸碱和较低温度 (100°C~200°C)条件下完成湿法化学反应。
而生物硅化过程具有浓度低(一般海水原硅酸浓度低于2 μmol/L、常温(0°C~30°C)、近中性pH( 天然海水pH 值7~8)、产物形态可控(其产物为海绵硅质骨针,具有种属特异性, 是海绵种属鉴定的重 要指标)等特点。 在海绵生物硅化过程中, 一类被称为硅蛋白(Silicatein)的蛋白质表现出了特殊的催化活性, 也因此得 到了生物学家、化学家和材料学家的关注。
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海绵大部分能够利用二氧化硅在常温水环境下合成形状、大小和结构极为丰富的硅质骨骼。
“维纳斯花篮”（Venus’ Flower Basket）
海绵的结构早为人们所熟知，称作“偕老同穴” （Euplectella aspergillum）的六射海绵，其建造精美绝 伦，被誉称“维纳斯花篮”（Venus’ Flower Basket）。