1、1,课程主要内容,课程简介,2,第二章 结构仿生,3,结构仿生以工程力学原理为基础，研究生物体不同结构层次(微观、细观、宏观)的形态以获得灵感，进而对材料、结构、系统进行仿生模拟，提高工程结构效率。,2.1 结构仿生简介,什么是结构仿生？,4,早期模拟生物外形，随着对自然认识的深入和研究手段的进步，仿生学经历了从功能模拟到结构仿生再到信息仿生，从力学仿生到物理仿生再到化学仿生，从个体仿生到生态仿生再到控制仿生这样一个逐步发展的过程。,2.1 结构仿生简介,结构仿生的发展,5,2.1 结构仿生简介,苏联水生动物(如海豚)皮肤形态的研究，为舰艇设计提供仿生思路；英国将断裂力学应用到生物复合材料研究
2、，如应用鹿角韧性机理进行冲击防护设计；中国赵晓鹏等研究了短纤维增强复合材料的仿生模型，哑铃状纤维增强混凝土试验表明，可使材料的抗弯强度提高20；,结构仿生的发展,6,研究哺乳动物骨骼截面形状与承力性能的关系； 研究骨结构流固耦合机理及对载荷分散的影响；研究鸟类及昆虫的飞行机理，为飞行器设计提供了重要理论依据 ；结构仿生研究已普遍运用有限元对生物结构进行力学性能分析、仿真和预测,结构仿生的发展,2.1 结构仿生简介,7,第二章 结构仿生,8,2.2 仿生材料,9,2.2 仿生材料,天然生物材料 具有适应其环境及功能需要的超复杂结构组装，其表现出的优异强韧性、功能适应性及损伤愈合能力，是传统人工合
3、成材料无法比拟的。,列如：,甲壳虫坚硬的外壳,蜘蛛丝，比防弹背心还坚硬,10,仿生材料受生物启发或模仿生物的各种特性而开发的材料。,2.2.1 仿生材料简介,什么是仿生材料？,Bio-inspired,仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学，其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上，发展新型医用材料，以用于人体组织器官修复与替代，发展仿生高性能工程材料。,11,仿生材料的研究内容,2.2.1 仿生材料简介,海鳗的发电器瞬间可以发出800伏的电压，足以电死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，而是蛋白质的分子集合体。,12,2.2.1 仿生
4、材料简介,深海里有一种软体动物，其身体由细胞材料所构成，却可承受很高的海水压力而自由地生存着。,仿生材料的研究内容,13,仿生材料的研究内容,研究内容以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。从仿生材料的使用场合来看可分为医用材料、工程材料和功能器件等。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。,14,2.2.1 仿生材料简介,仿生材料前沿,人造丝早期：模仿天然纤维和人的皮肤的接触感
5、而制造的人造纤维。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。,15,2.2.1 仿生材料简介,呼吸材料动物有肺，能够分离空气中的氧气；鱼有鳃，能够分离溶解在水中的氧气，供给身体使用。人们仿造这种特性，制作了薄膜材料，用于制造高浓度氧气、分离超纯水等，以达到节省能源以及高分离率的目的。目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料，如果研制成
6、功的话，人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。,仿生材料前沿,16,2.2.1 仿生材料简介,生物能够高效地进行各种能量间的转换。随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭，人类寻求新能源的任务已迫在眉睫，如果能够找到象某些生物那样能够高效率地进行能量变换或者能量重组的材料与方法,将为人类的未来带来希望和光明。,仿生材料前沿,17,2.2.1 仿生材料简介,卵的壳是石灰质构成的,内部有卵白和卵黄。美国学者发表了非常有趣的假说，认为卵的结构无论从力学或者工学的观点来思考，都有许多值得学习的地方，人类现在的包装技术与之相比相形见拙。 相信在不远的将来,通过对有机和无机复合材料形成技术的研究，不仅在包装技
7、术方面人们会学习和采用生物卵壳的形成方式，同时在医学科学中也会开创新的领域。,仿生材料前沿,18,2.2.1 仿生材料简介,水果薄膜西瓜是一种含水量极高的水果，在它的启发下，人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂，现在已用于废油的回收，既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话，将来液体的包装和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如，将来的饮料就不再是用现在的杯子来装,而是只要用一片薄膜即可。,仿生材料的研究现状与未来,19,2.2.1 仿生材料简介,内视镜用手触摸含羞草的叶片，它就会像动物那样收缩。在这一种启发下，日本奥林巴斯公司的植田康弘研制了一种可以伸到小肠里的内视镜，他在内
8、视镜的筒状部分使用了一种与含羞草叶片表面结构相似的弹性膜材料，它在肠道流体的压力下，会沿着轴向自动伸长或弯曲，从而使内视镜的筒状部分与肠道保持同一形状。,仿生材料前沿,20,2.2 仿生材料,21,2.2.2 天然生物材料特性,复合特性功能适应性创伤愈合性多功能性,22,人们从天然生物的研究中得到启示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳，它们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿生结构设计的思想，通过“简单组成、复杂结构”的精细组合，来实现材料的高韧性、抗破坏及使用可靠性特性。,2.2.2 天然生物材料特性,
9、23,2.2 仿生材料,24,2.2.3 天然生物材料结构特种与仿生,贝壳的结构可分为3层，最内一层为珍珠质层，由小平板状的结构单元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体。研究表明，片层之间是有机基质珍珠层文石晶体与有机基质交替叠层排列方式是提高韧性的关键所在。清华大学模仿珍珠层的两级增韧机制，设计制备出仿珍珠层的具有较高强度和韧性的复合陶瓷。,文石,贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿生,25,2.2.2 成分和结构仿生,竹子的外密内疏和竹纤维的结构特征及其仿生,竹干的力学性能如拉伸弯曲、压缩强度和模量，沿径向的分布一般是在外层高，内层低。这种结构与竹子主要受风雪等引起的弯曲载荷相对应。
10、竹材的结构符合以最少的材料和结构发挥最大效能的原理。将竹干进行拓扑变换，提出了仿竹优化梁模型，其中纤维以中线面为对称分布。这一模型以碳纤维环氧树脂进行了验证，结果表明复合材料的强度提高了81%。,26,骨成分仿生,骨骼是支撑人体的关键器官，早在公元前2000年人类就有了用金属进行骨修复的尝试，进入20世纪后，随着材料科学的发展，骨修复和替代材料逐渐拓展到高分子、陶瓷及复合材料。最简单的骨仿生就是成分仿生。骨骼的主要构成是以羟基磷灰石为主的磷酸钙，骨仿生的主要思想就是制造羟基磷灰石为主的骨修复和替代材料。,2.2.3 天然生物材料结构特征与仿生,27,浙江大学化学系唐睿康课题组日前运用仿生学的方
11、法制备了一种新型有机无机复合弹性晶体材料，其物理和化学性能都逼近天然骨骼。晶体中无机单元的厚度几乎达到了生物材料中同类晶体的最小尺度，基本实现了在纳米尺度上类骨结构的仿生制备。这一仿生骨相关成果发表在国际材料学顶尖刊物Advanced Materials上。,仿生骨,2.2.3 天然生物材料结构特征与仿生,28,海豚是海洋中的速泳高手，这除了与海豚体型有关外，海豚皮肤的三层结构（黑色表皮层、白色真皮层、脂肪层）形成的动态非光滑形态具有重要作用，这种动态非光滑形态使表层附近的涡流层变成摩擦阻力小的层流层。模仿海豚皮肤的表面沟槽结构所研制的仿生材料，可分别用于游泳运动员、潜水员和潜艇以减少阻力、提
12、高速度。,材料表面形态仿生,2.2.3 天然生物材料结构特征与仿生,29,2.2.2 成分和结构仿生,动物骨骼哑铃状结构特征及其仿生设计,动物长骨外形为中间细长两端粗大，并圆滑过渡到中部，避免了应力集中，有利于应力的减缓，与肌肉相互配合使肢体持重比提高，受此启发把短纤维设计成哑铃状，经理论计算，可得到端球与纤维直径的最佳比值。实验表明，这种结构的复合材料强度提高了1.4倍。,30,2.2.2 成分和结构仿生,树根纤维状结构特征及其仿生设计,土壤中的树根和草根可以防止山坡水土流失，加固堤坝。人们对树和草根的结构进行了研究，提出了分形树纤维模型。理论证明，这种结构可同时提高材料的强度和韧性。对仿根
13、状结构复合材料的研制。首先用焊锡将钢单丝按预先设计的结构焊接而得到人造纤维，将纤维以预定的分叉角固定在模中，最后将环氧树脂倒人模中。有二级分叉纤维和无分叉纤维试样结果表明具有分叉结构的纤维拔出力和拔出能随分叉角的增加而增加，且大于无分叉纤维试样。纤维对断裂功的贡献为纤维拔出能的平均值，于是纤维的拔出能越大，纤维对复合材料断裂韧性的贡献越大。因此分形树结构的纤维可以提高复合材料的断裂韧性。,31,2.2.2 成分和结构仿生,动物的毛皮状结构特征及其仿生设计,动物的毛皮结构是由毛发和表皮组成，毛发和表皮没有明显的过滤层，经冷热变化也不会产生分离，而较硬的毛发层以不会影响皮肉的灵活运动。动物的毛皮结构是保护动物机体抵抗自然界风雨侵蚀和防止辐射的功能保护层。利用制备束丝纤维增强铝复合材料工艺基础制备碳化硅束丝纤维和铝复合的仿动物毛皮结构体。在这一复合体中碳化硅纤维不仅在铝基体中起到增强剂的作用，而且伸出铝表面形成了一层完整的纤维毛状覆盖层。由于SiC 纤维层和铝板表层无横向界面，所以不会因冷热循环造成界面分离破坏。SiC 束丝纤维有着良好的抗高温氧化能力。形成毛皮结构后，其纤维班盖层有良好的隔热性能。,32,壁虎 战斗机,33,第二章 结构仿生,
