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仿生材料PPT课件


主要参考资料:
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料,崔福斋、郑传林编著,化学工业 出版社(2004)。

长脖的苍鹭-----远距离捕食的高手
用矛捕鱼或娴熟的标枪能手
长尾巴的禾鼠-----随处攀爬的高手
平衡杠或安全绳的应用
蜘蛛的成丝过程-----各种因素协同作用下的液晶态干法纺丝
4.能量仿生
能量仿生:研究与模仿生物器官生物发光发电、肌肉直 接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。

电鱼(电鳐、电鳗等)-----发电器官能产生几百伏电压 萤火虫-----高发光效率 植物的光合作用(蓝藻等) 人工合成冷光源 仿生光解水装置制备氢能源
设计伏打电池
5.信息处理与控制仿生
信息处理与控制仿生:研究与模拟生物体中的感觉器官、 神经元与神经网络以及高级中枢等智能系统的信息处理 过程。


等级制度
麝牛意识到危险来临, 立刻围成圆阵
军事仿生学



狼群战术(集群攻击) 蛙跳(蛤蟆)战术 (向若干个重要目标做跳跃进攻) 蚕食战术(像饿蚕进食那样小口快吃,步步为营) 敲山震虎战术(以打促降攻心制敌) 麻雀战术(四面八方以游击战消耗、迷惑、杀伤敌人) 蚁海战术(聚集力量) 小鱼吃大鱼战术(仿硬颚鱼对付鲨鱼的“钻肚子”或“掏心”战
高分子材料成型原理、材料学及生物学的基本知识。

课程学习目的与要求:
本课程将在介绍自然界中生物的结构、功能或行为过 程等的基础上,进一步介绍近年来国内外研究人员受 生物启发(Bio-inspired)或模仿生物(Biomimetic) 的各种特性而开发的仿生材料及其研究进展,使学生 初步了解仿生材料领域国内外的最新研究动态及各种 仿生材料的加工技术。
大象的奇妙行为-怪异的步伐
大象的奇妙行为
大象属于恒温动物 大象能承受的体温变化较大 大象居于炎热地带 其散热方式和身体结构有关。
大象的奇妙行为
大象的沟通方式很复杂。 同步前进相隔很远的象群是怎样进行 遥感沟通的?
蚂蚁的奇妙行为

分工合作、发挥集体智慧的行为 能拖动比自身体重大几十倍的食物 喝雨水再排尿的防穴内进水绝招 ……
第一章 绪 论
第一节 仿生学




蜘蛛丝的强韧性; 蜻蜓出色的飞行本领; 苍蝇的多种特殊功能; 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀; 夜间活动型蛾(Night Moth)的眼 蜂巢奇妙的构造; 蟑螂灵敏的感知能力; 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼; 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩; 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量; 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
仿生学
研究并模仿生物系统的结构、形状、功能、原理、 行为过程及相互作用等从而为工程技术提供新的 设计思想、工作原理和系统构成的科学
是生物学和技术学相结合的交叉学科 涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域

仿生技术
通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生 物模型进行研究,最后实现新的技术设计并制造出更好的 新型仪器、机械等。
和拨水性 (water repellent ); 生物的骨骼构造比钢铁强硬; „„„


大象的奇妙行为
大象是陆地上最大的动物,现存的大象仅有 非洲象和亚洲象。 非洲象体型较大,最大的雄象约7吨重,雌 雄象都长有发达的象牙; 亚洲象略小,最大的体重约5吨,只有雄象 才长有发达的象牙。 大象是如何支撑其身体的重量的?
仿生材料(Biomimetic Materials)
东华大学材料学院 邵惠丽
松江校区第五学院楼C566
材料开发的新思路

天然可再生资源的利用, 源源不绝、环境友好、低碳发展的概念

多从自然界动植物中寻求灵感
从事绿色材料、仿生材料的研究

仿生材料(Biomimetic Materials)

预备知识:
20 世纪40 年代前

潜水艇的沉浮系统的开发
(装载石块→交替充排水浮箱→压载水舱)
鱼充气的鱼鳔
(分泌或吸收氧气)

雷达、战艇侦察手段的开发 统
(噪声测向仪→声纳系统)
蝙蝠、海豚的“回声定位”系

高速飞机的开发
蜻蜓翅膀上的翼眼
(在机翼前缘的远端上安放加重装置以消除颤振)
现代仿生学的诞生

20世纪60年代起,仿生学“Bionics” 的构成


处于起步的实验室阶段 受关注的力度还相当不够
国家自然科学基金项目“直翅目昆虫线粒体DNA的分子系统学研究”-7万 教育部基金项目“单拷贝核基因在昆虫分子系统学上可用性的研究”-8万 国家自然科学基金项目“昆虫G6PD基因结构和序列进化的比较研究”-16万
美国“蜜蜂基因组测序的研究 ”-600万美元
消除应力集中、 用最少的建材承受最大的载荷 减少湍流 提高航速


贝壳结构 修造大跨度薄壳建筑 股骨结构 建造立柱 海豚皮肤的沟槽结构 包敷人工海豚皮于船外壳 啄木鸟脑壳的海绵状组织骨骼

制备类似材料用于包装运输领域
减震
3.行为过程和加工方法仿生
行为过程和加工方法仿生:研究并模仿生物体某些特殊 的行为过程及其功能或加工方法(体内物理和化学过程 )的原理。

田径比赛
起跑姿势:下蹲式(仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳 游泳姿势:蛙泳式(仿游泳能手青蛙)
比直立式更快)
第二节 人类仿生的发展历史

鲁班 观察丝矛草叶子
仿其边缘的细齿结构
发明锯子

观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体 发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵 鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之,三日不下” 达· 芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 (飞机的雏型)
全美第一届仿生学讨论会的召开—标志着仿生学的诞生

20世纪90年代起,材料仿生的真正起步
(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired) 仿生学领域的不断拓展(人居仿生学、企业仿生学、仿生减肥等) 直接开发生物系统本身(鳗脑指挥机器人、飞蛾触须探测爆炸物等)
第三节
仿生材料
研究特点

对生物神经系统和感觉器官的仿生居多(80%) 最广泛地运用类比、模拟和模型方法
生物原型-----基础 数学模型-----桥梁 硬件模型-----目的
国内外研究现状
国外不断在加强、深入 各种微型仿生飞行器的试制(微型间谍苍蝇) 仿生视网膜技术装置(含4000感光器的电子芯片) 鳗脑机器人等 模拟昆虫集体行动的计算机软件设计 仿生物钢-蜘蛛丝




蜘蛛丝的强韧性; 蜻蜓出色的飞行本领; 苍蝇的多种特殊功能; 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀; 夜间活动型蛾(Night Moth)的眼 蜂巢奇妙的构造; 蟑螂灵敏的感知能力; 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼; 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩; 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量; 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )

eg:苍蝇超越的抵抗 细菌的能力:蝇蛆可分 离具有高强杀菌作用 的”抗菌肽” eg:舞毒蛾 合成类似蛾性引诱激 素成分的有机化合物 诱杀雄虫
从舞毒蛾的行为-------“仿生诱芯”的合成及应用

舞毒蛾有趣行为的观察:
夜晚有许多雄蛾围着有活雌蛾(残体)的小笼不停地盘旋。

舞毒蛾有趣行为的分析:
雌蛾伸出腹部的腺体,释放求爱的化学气味。
仿生学的分类
社会仿生学(模仿生物的群体意识等) 化学仿生学(在分子水平或分子层次上进行仿生) 机械仿生学 建筑仿生学 电子仿生学 计算仿生学(神经网络、遗传等算法) 军事仿生学 运动仿生学(仿飞禽走兽的动作健身) 美容仿生学
社会仿生学
生物社会中的三个特征 地域观念
有各自的活动的群体活动


已从基础研究发展到商业化竞争阶段
, 2007
国内外研究现状

国内刚刚在起步、摸索
2002年起相关研究列入863计划前沿探索类项目 2003年10月香山科学会议(主题:飞行和游动的生物力学与仿生技术) 2003年12月香山科学会议(主题:仿生学的前沿和未来) 2004年8月北京自然博物馆举办《昆虫微观结构与仿生》的展览。
发展瓶颈

1)搞清生物系统的机制 复杂性 研究的长周期性 2)多学科的密切协作
对生物的了解 生物学家 工程技术专家

利用生物学的研究成果进行仿生设计
材料科技的突破 才是最後對人类智慧的實踐
术)
运动仿生学

太极拳运动 :
伸舒筋骨)
白鹤亮翅(仿善飞的白鹤展翅欲飞动作 抱虎归山、倒撵猴

气功“五禽戏动功” :
猛虎扑食、鹿糜奔跃、熊步蹒跚、鹏鸟展翅、猿猴攀登
少林拳
仿虎 :白虎洗脸、猛虎转身、老虎靠山、老虎弹爪、大虎抱头、老虎摆尾、虎 下山、黑虎破胆、猛虎跳涧、猛虎穿林、猛虎观鹿、老虎张口、老虎坐桩、饿 虎登山、黑虎望山、黑虎钻木、黑虎抓心…….. 仿豹:豹子出洞、豹子扣爪、豹子缩身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回头 仿马 :野马上槽、野马奔川、野马弹蹄、野马分鬃 仿猴 、仿猿 、仿鹤 、仿鹰 、仿燕 、仿雁 ……..
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