1、,仿生材料（BiomimeticMaterials）東華大學(xué)材料學(xué)院邵惠麗松江校區(qū)第五學(xué)院樓C566,材料開發(fā)的新思路,天然可再生資源的利用,源源不絕、環(huán)境友好、低碳發(fā)展的概念多從自然界動植物中尋求靈感從事綠色材料、仿生材料的研究,預(yù)備知識：高分子材料成型原理、材料學(xué)及生物學(xué)的基本知識。課程學(xué)習(xí)目的與要求：本課程將在介紹自然界中生物的結(jié)構(gòu)、功能或行為過程等的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹近年來國內(nèi)外研究人員受生物啟發(fā)（Bio-inspired）或模仿生物（Biomimetic）的各種特性而開發(fā)的仿生材料及其研究進(jìn)展，使學(xué)生初步了解仿生材料領(lǐng)域國內(nèi)外的最新研究動態(tài)及各種仿生材料的加工技術(shù)。,仿生材料（Bio

2、mimeticMaterials）,主要參考資料：,Nature近期雜志。Science近期雜志。Biomacromolecules近期雜志。AdvancedMaterials近期雜志。InternationalJournalofBiologicalMacromolecules近期雜志。仿生材料，崔福齋、鄭傳林編著，化學(xué)工業(yè)出版社（2004）。,第一章緒論第一節(jié)仿生學(xué),蜘蛛絲的強(qiáng)韌性；蜻蜓出色的飛行本領(lǐng)；蒼蠅的多種特殊功能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動型蛾（NightMoth）的眼蜂巢奇妙的構(gòu)造；蟑螂靈敏的感知能力；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達(dá)到每小時20哩；蜂鳥

3、飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；荷花葉面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；,自然界生物的各種奇妙功能,大象的奇妙行為,大象是陸地上最大的動物，現(xiàn)存的大象僅有非洲象和亞洲象。非洲象體型較大，最大的雄象約7噸重，雌雄象都長有發(fā)達(dá)的象牙；亞洲象略小，最大的體重約5噸，只有雄象才長有發(fā)達(dá)的象牙。大象是如何支撐其身體的重量的?,大象的奇妙行為-怪異的步伐,大象的奇妙行為,大象屬于恒溫動物大象能承受的體溫變化較大大象居于炎熱地帶其散熱方式和身體結(jié)構(gòu)有關(guān)。,大象的奇妙行為,大象的溝通方式很復(fù)雜。同步

4、前進(jìn)相隔很遠(yuǎn)的象群是怎樣進(jìn)行遙感溝通的?,螞蟻的奇妙行為,分工合作、發(fā)揮集體智慧的行為能拖動比自身體重大幾十倍的食物喝雨水再排尿的防穴內(nèi)進(jìn)水絕招,蜘蛛絲的強(qiáng)韌性；蜻蜓出色的飛行本領(lǐng)；蒼蠅的多種特殊功能；孔雀、蝴蝶美麗的翅膀；夜間活動型蛾（NightMoth）的眼蜂巢奇妙的構(gòu)造；蟑螂靈敏的感知能力；啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；墨魚的瞬間加速可以達(dá)到每小時20哩；蜂鳥飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；荷花葉面有絕佳的抗污性(self-cleaningproperties)和撥水性(waterrepellent)；生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強(qiáng)硬；,自然界生物的各種奇妙功能,生物的各種奇妙

5、功能給人類啟發(fā)-仿生思維模仿生物本領(lǐng)造出仿生材料新興學(xué)科仿生學(xué)（仿生材料）,人類進(jìn)化：500萬年生命進(jìn)化：約35億年,形成了最優(yōu)化的形態(tài)結(jié)構(gòu)、最有效的物質(zhì)代謝和再循環(huán)系統(tǒng)、最精確的控制和協(xié)調(diào)過程。,研究并模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、功能、原理、行為過程及相互作用等從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學(xué)是生物學(xué)和技術(shù)學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科涉及生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)、控制論、工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域仿生技術(shù)通過對各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機(jī)理作為生物模型進(jìn)行研究，最后實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)設(shè)計(jì)并制造出更好的新型儀器、機(jī)械等。,仿生學(xué),社會仿生學(xué)（模仿生物的群體意識等）化學(xué)仿生學(xué)（在

6、分子水平或分子層次上進(jìn)行仿生）機(jī)械仿生學(xué)建筑仿生學(xué)電子仿生學(xué)計(jì)算仿生學(xué)（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳等算法）軍事仿生學(xué)運(yùn)動仿生學(xué)（仿飛禽走獸的動作健身）美容仿生學(xué),仿生學(xué)的分類,社會仿生學(xué),生物社會中的三個特征地域觀念有各自的活動范圍群體意識團(tuán)結(jié)協(xié)作的群體活動等級制度,麝牛意識到危險(xiǎn)來臨，立刻圍成圓陣,軍事仿生學(xué),狼群戰(zhàn)術(shù)（集群攻擊）蛙跳（蛤蟆）戰(zhàn)術(shù)(向若干個重要目標(biāo)做跳躍進(jìn)攻）蠶食戰(zhàn)術(shù)（像餓蠶進(jìn)食那樣小口快吃，步步為營）敲山震虎戰(zhàn)術(shù)（以打促降攻心制敵）麻雀戰(zhàn)術(shù)（四面八方以游擊戰(zhàn)消耗、迷惑、殺傷敵人）蟻海戰(zhàn)術(shù)（聚集力量）小魚吃大魚戰(zhàn)術(shù)（仿硬顎魚對付鯊魚的“鉆肚子”或“掏心”戰(zhàn)術(shù)）,運(yùn)動仿生學(xué),太極拳運(yùn)動：白

7、鶴亮翅（仿善飛的白鶴展翅欲飛動作伸舒筋骨）抱虎歸山、倒攆猴氣功“五禽戲動功”：猛虎撲食、鹿糜奔躍、熊步蹣跚、鵬鳥展翅、猿猴攀登少林拳仿虎：白虎洗臉、猛虎轉(zhuǎn)身、老虎靠山、老虎彈爪、大虎抱頭、老虎擺尾、虎下山、黑虎破膽、猛虎跳澗、猛虎穿林、猛虎觀鹿、老虎張口、老虎坐樁、餓虎登山、黑虎望山、黑虎鉆木、黑虎抓心.仿豹：豹子出洞、豹子扣爪、豹子縮身、豹子擒羊、金豹翻身、金豹回頭仿馬：野馬上槽、野馬奔川、野馬彈蹄、野馬分鬃仿猴、仿猿、仿鶴、仿鷹、仿燕、仿雁.田徑比賽起跑姿勢：下蹲式（仿袋鼠在跳躍前總是把腿收縮起來再跳比直立式更快）游泳姿勢：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）,第二節(jié)人類仿生的發(fā)展歷史,魯班觀察絲矛草

8、葉子仿其邊緣的細(xì)齒結(jié)構(gòu)發(fā)明鋸子觀察魚在水中的游泳仿魚類的形體發(fā)明木船仿魚尾巴搖擺而游動、轉(zhuǎn)彎發(fā)明木漿、櫓和舵魯班觀察鳥的飛翔用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”達(dá)芬奇解剖鳥的身體并觀察其飛行制造撲翼機(jī)（飛機(jī)的雛型）,古代仿生學(xué)的萌芽,20世紀(jì)40年代前潛水艇的沉浮系統(tǒng)的開發(fā)魚充氣的魚鰾（裝載石塊交替充排水浮箱壓載水艙）（分泌或吸收氧氣）雷達(dá)、戰(zhàn)艇偵察手段的開發(fā)蝙蝠、海豚的“回聲定位”系統(tǒng)（噪聲測向儀聲納系統(tǒng)）高速飛機(jī)的開發(fā)蜻蜓翅膀上的翼眼（在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放加重裝置以消除顫振）,近代仿生學(xué)的被動進(jìn)展,現(xiàn)代仿生學(xué)的誕生,20世紀(jì)60年代起,仿生學(xué)“Bionics”的構(gòu)成全美第一屆仿生學(xué)討論會的召

9、開標(biāo)志著仿生學(xué)的誕生20世紀(jì)90年代起,材料仿生的真正起步(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired)仿生學(xué)領(lǐng)域的不斷拓展（人居仿生學(xué)、企業(yè)仿生學(xué)、仿生減肥等）直接開發(fā)生物系統(tǒng)本身（鰻腦指揮機(jī)器人、飛蛾觸須探測爆炸物等）,現(xiàn)代仿生學(xué)的誕生,第三節(jié)仿生材料,仿生材料定義：人類受生物啟發(fā)或模仿生物的各種特性、行為、結(jié)構(gòu)等而開發(fā)的材料。研究范圍主要包括：分子仿生、結(jié)構(gòu)（力學(xué)）仿生、行為過程和加工方法仿生、能量仿生、信息處理與控制（神經(jīng)）仿生等。,1.分子仿生,分子仿生：研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物體成分或其類似物的合成等。,eg：蒼蠅超越

10、的抵抗細(xì)菌的能力:蠅蛆可分離具有高強(qiáng)殺菌作用的”抗菌肽”eg：舞毒蛾合成類似蛾性引誘激素成分的有機(jī)化合物誘殺雄蟲,從舞毒蛾的行為-“仿生誘芯”的合成及應(yīng)用,舞毒蛾有趣行為的觀察：夜晚有許多雄蛾圍著有活雌蛾（殘?bào)w）的小籠不停地盤旋。舞毒蛾有趣行為的分析：雌蛾伸出腹部的腺體，釋放求愛的化學(xué)氣味。我國科學(xué)家展開的成分仿生：破譯雌蛾的這種化學(xué)語言（分析性引誘激素）研制出“仿生誘芯”（模仿性引誘激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)人工合成類似有機(jī)化合物）在農(nóng)林害蟲防治預(yù)測中的應(yīng)用將其（千萬分之一微克）加入誘捕器引誘雄蛾，既殺蟲，又可預(yù)測害蟲的發(fā)生期。我國已研制成功60多種“仿生誘芯”,2結(jié)構(gòu)仿生,結(jié)構(gòu)仿生：研究并模仿生物體大

11、體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)、生物體各組成部分在體內(nèi)相對運(yùn)動和生物體在環(huán)境中運(yùn)動的動力學(xué)性質(zhì)及其它結(jié)構(gòu)功能。,貝殼結(jié)構(gòu)修造大跨度薄殼建筑股骨結(jié)構(gòu)建造立柱海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)包敷人工海豚皮于船外殼啄木鳥腦殼的海綿狀組織骨骼制備類似材料用于包裝運(yùn)輸領(lǐng)域,消除應(yīng)力集中、用最少的建材承受最大的載荷,減少湍流提高航速,減震,3行為過程和加工方法仿生,行為過程和加工方法仿生：研究并模仿生物體某些特殊的行為過程及其功能或加工方法(體內(nèi)物理和化學(xué)過程)的原理。,長脖的蒼鷺-遠(yuǎn)距離捕食的高手用矛捕魚或嫻熟的標(biāo)槍能手長尾巴的禾鼠-隨處攀爬的高手平衡杠或安全繩的應(yīng)用蜘蛛的成絲過程-各種因素協(xié)同作用下的液晶態(tài)干法紡絲,

12、4能量仿生,能量仿生：研究與模仿生物器官生物發(fā)光發(fā)電、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過程。,電魚（電鰩、電鰻等）-發(fā)電器官能產(chǎn)生幾百伏電壓設(shè)計(jì)伏打電池螢火蟲-高發(fā)光效率人工合成冷光源植物的光合作用（藍(lán)藻等）仿生光解水裝置制備氫能源,5信息處理與控制仿生,信息處理與控制仿生：研究與模擬生物體中的感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及高級中樞等智能系統(tǒng)的信息處理過程。,蜜蜂、螞蟻等偏振光定向本領(lǐng)制成偏光天文羅盤用于航海和航空的定向鴿子視網(wǎng)膜系統(tǒng)對外界特殊的反應(yīng)能力研制電子鴿眼用于預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)昆蟲等感覺器官的高度靈敏性制成各種傳感器和測試儀,蟑螂靈敏的感知能力,從感知風(fēng)速到逃跑只需0.04

13、4秒，人類需要0.3秒尾肢可對2公分/秒的風(fēng)做出反應(yīng)可做微流速感知器,信息處理與控制仿生,研究特點(diǎn),對生物神經(jīng)系統(tǒng)和感覺器官的仿生居多(80%)最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法生物原型-基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型-橋梁硬件模型-目的,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國外不斷在加強(qiáng)、深入各種微型仿生飛行器的試制（微型間諜蒼蠅）仿生視網(wǎng)膜技術(shù)裝置（含4000感光器的電子芯片）鰻腦機(jī)器人等模擬昆蟲集體行動的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)仿生物鋼-蜘蛛絲已從基礎(chǔ)研究發(fā)展到商業(yè)化競爭階段,2007,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國內(nèi)剛剛在起步、摸索2002年起相關(guān)研究列入863計(jì)劃前沿探索類項(xiàng)目2003年10月香山科學(xué)會議（主題：飛行和游動的生物力學(xué)與仿生技術(shù)）2003年12月香山科學(xué)會議（主題：仿生學(xué)的前沿和未來）2004年8月北京自然博物館舉辦昆蟲微觀結(jié)構(gòu)與仿生的展覽。處于起步的實(shí)驗(yàn)室階段受關(guān)注的力度還相當(dāng)不夠國家自然科學(xué)基金項(xiàng)