仿生材料
材料是人类赖以生存和发展的重要基础, 是直接推动社会发展的动力, 材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。材料按其应用一般可以分为两大类: 结构材料和功能材料。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料则主要利用其光、电、磁、声、热等特殊的物理、化学、生物学性能。材料科学水平已经成为衡量一个国家科学技术、国民经济水平及综合国力的重要标志, 许多国家都把新材料的研究放在了优先发展的地位。
自然界中的动物和植物经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化, 使它们能适应环境的变化, 从而得到生存和发展, 其结构与功能已达到近乎完美的程度。自古以来, 自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。道法自然, 向生物学习, 向自然界学习, 利用新颖的受生物启发而来的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成有机、无机、有机-无机杂化结构材料和功能材料是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域, 而且已成为化学、材料、生命、力学、物理等学科交叉研究的前沿热点之一。虽然仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前,但通常认为, 1960 年美国召开的第一届仿生学讨论会是仿生学诞生的标志。仿生学一词是1960 年由美国斯梯尔(Jack Ellwood Steele)根据拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有……的性质”的意思)构成的。1963 年我国将“Bionics”译为“仿生学”, 它是研究生物系统的结构、性质、原理、行为以及相互作用, 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技术科学. 简言之, 仿生学就是模仿生物的科学。
仿生学是生物学、数学和工程技术学等学科相互渗透而结合成的一门新兴科学。随着化学、材料学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展, 仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展已成为仿生学前沿研究的一个重要分支。仿生合成(biomimetic synthesis)一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成, 即受自然界生物特殊结构和功能的启示, 模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计,以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料,或利用天然生物合成的方法获得所需材料。目前仿生材料的制备方法可简单地归纳为以下两种:⑴通过制备与生物结构或形态相似的材料以替代天然材料, 如光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿生物体骨骼等;⑵直接模仿生物的独特功能以获取人们所需要的新材料, 如仿蜘蛛丝超韧纤维、仿荷叶超疏水材料、仿贝壳高强材料、仿壁虎脚高黏附性材料等。
1.光子晶体材料
自然界中的某些矿物或生物经过进化形成了非常绚丽的结构色。例如, 蛋白石色彩缤纷的外观并不是色素产生的, 而是与蛋白石的微观结构有关。蛋白石是由亚微米SiO2 堆积形成的矿物, 是一种天然的光子晶体, 几何结构上的周期性使某一波段的光在其间发生干涉、衍射或散射等, 从而过滤出特定波长的光, 呈现美丽的色彩。Parker等人首次在甲虫(Pachyrhynchus argus)身上发现与蛋白石一样的光子晶体结构类似物, 使其具有在任何方向都可见的金属光泽。模仿蛋白石的微观结构, 可以合成人工蛋白石结构的光子晶体,如利用单分散无机胶体粒子(SiO2)、聚合物乳胶(聚苯乙烯)及其他胶体粒子的稀溶液通过自发沉积可以得到人工蛋白石。以SiO2、聚苯乙烯等人工蛋白石为模板, 通过煅烧、溶剂溶解
等方法除去初始模板, 可以得到排列规整的反蛋白石结构材料.顾忠泽等人将聚苯乙烯微球与SiO2纳米粒子超声分散, 然后用玻璃片在其悬浮液中提拉成膜, 空气中晾干后于450℃下煅烧除去聚合物, 经氟硅烷修饰后可得到具有构造显色功能和超疏水特性的反蛋白石结构膜。最近, 李垚研究组在离子液体中, 以聚苯乙烯胶体粒子为模板, 采用电沉积技术制备了高度有序反蛋白石结构锗三维光子晶体, 离子液体中的电沉积技术有望用来制备其他活泼
金属(铝、硒、钽等)或导电聚合物光子晶体.在磁性光子晶体材料的制备方面, 2006年, Linden 等人首次制备了一维磁性光子晶体, 实现了纳米尺度下的光操控。这种新型的光子晶体材料由金线对(长100 μm、宽220nm、高20nm)构成。金线对之间以50nm厚的氟化镁隔开, 形成周期性排列的一维人造原子晶格, 然后置放在用来导光的石英基板上,形成一维的磁性光子晶体.。Yin研究小组在超顺磁性的纳米氧化铁（Fe3O4）颗粒表面包覆聚乙烯外壳,使纳米晶体在溶液中自聚集成胶质光子晶体。由于胶质团簇的纳米晶体很小, 当磁场关闭后可以立刻失去磁性。因此, 通过调整磁场强度以及磁体距离改变团簇间的晶格距离, 可以实现胶质晶体的颜色在整个可见光谱区域内调控, 整个过程迅速且可逆.矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用。
2.仿生空心结构材料
自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管,这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛
具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能。夏幼南研究小组采用电纺技术,在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)-钛酸异丙酯(Ti(OiPr)4)-矿物油-乙醇-乙酸体系制备了核-壳结构纳米纤维, 经高温焙烧后即可得到单轴定向排列的空心TiO2纳米纤维。采用电纺技术可以制备SiO2、ZnO、ZrO2等空心纳米纤维材料。
3.仿生离子通道
生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式。被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵。离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性。生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等。纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点。北航刘克松等人与其他科研院所合作开展了pH值调控的核酸纳米舱研究。由于核酸四链结构形成的分子膜比较致密, 可以阻止此空间中的小分子扩散到外部的溶液中, 所以称此空间为核酸分子纳米舱。当改变溶液的pH值使核酸的四链结构破坏时, 致密的分子膜不再存在, 核酸分子纳米舱中储存的小分子可以被释放到溶液中。由于核酸分子马达的可循环性, 核酸纳米舱可以实现多次循环利用。此外, 在适当交变电场的作用下, 该核酸纳米容器的关闭时间可缩短到几十秒钟。这为深入利用核酸分子的结构可设计性, 相互作用可设计性, 以及协同运动的可设计性, 提供了富有意义的探索途径。该课题组还研究了DNA纳米软通道的非平衡开关的基本物理性质, 由于DNA通道的柔性使开关直接受到通道内输运粒子产生的压力的调控, 表现出类似于齿轮机制的动力学行为。利用朗之万方程和福克-普兰克方程等非平衡统计物理学原理构造了一套理论模型,提出并解决了DNA纳米软通道和输运粒子耦合动力
学行为。最近, 这个课题组在前期利用DNA纳米技术构筑表面DNA 功能分子器件以及纳米孔道体系内电解质流体输运行为的理论与实验基础上, 将DNA分子与纳米孔道体系相结合, 开发出了仿生智能响应的人工离子通道体系, 通过生物分子的构象变化实现了合成孔道体系的开关功能。首先在经单个高能重离子轰击的高分子材料的基底上, 制备出尖端只有几个到几十个纳米的圆锥形单纳米孔道。然后将具有质子响应性的功能DNA分子马达接枝在纳米孔道内壁上, 通过改变环境溶液的pH值, 使DNA分子马达发生构象变化, 完成通道的打开和关闭。这种新型的仿生离子通道体系弥补了蛋白质离子通道的不足, 可以很容易地与其
他微纳米器件结合, 组成更为复杂和多功能化的复合型纳米器件。这不仅为新一代仿生智能纳米器件的设计和制备提供一种新的方法和思路, 同时也为设计用于生物分子筛选和淡水过滤的选择性滤膜提供了重要参考依据。
4.仿生超强韧纤维材料
蜘蛛经过4亿年的进化使其所吐出的丝实现了结构与功能的统一。蜘蛛丝作为优异的功能性结构材料, 其独特的纤维成型方法与优良的结构和性能早已引起了国内外科学家的关注。蜘蛛丝在强度和弹性上都大大超过人类制成的钢和凯芙拉, 即使是在拉伸10倍以上也不会断裂。此外, 蜘蛛丝还具有良好的吸收振动性能和耐低温性能。无论是在干燥状态或是潮湿状态下均具有良好的性能。一般来说, 蜘蛛丝的直径约为几个微米（人发约为100μm), 并且具有典型的多级结构, 它是由一些被称为原纤的纤维束组成, 原纤是几个厚度为纳米级的微原纤的集合体, 微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景。目前美国、德国、英国、日本等发达国家已投入大量的人力和物力对蜘蛛丝进行研究, 并已取得了一系列令人瞩目的研究成果。关于蜘蛛丝的研究, 已成为当今纤维材料领域的热门课题。随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 以下是仿生超强韧纤维材料领域的几个典型事例。
纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证。Baughman 研究小组通过纺丝技术成功将单壁纳米碳管(直径约1nm)编织成超强纳米碳管复合纤维（含60％的纳米碳管），首先将经表面活性剂分散的单壁纳米碳管与聚乙烯醇均匀混合在一起形成凝胶状纤维, 然后将其放入盛有聚乙烯醇溶液的容器中, 利用纺丝技术可以得到长度达100 m的单壁纳米碳管/聚乙烯醇复合纤维（直径约为50 μm）。这种纳米碳管复合纤维具有良好的强度和韧性, 其拉伸强度与蜘蛛丝相同, 但其韧性高于目前所有的天然纤维和人工合成纤维材料, 比天然蜘蛛丝高3倍, 比凯芙拉纤维强17倍。
蜘蛛具有良好的力学性能, 主要是因为它含有许多纳米尺寸的结晶体, 这些微小的晶体呈定向排列, 分散在蜘蛛丝蛋白质基质中起到了很好的增强作用。Mckinley 研究小组通过模仿蜘蛛丝的特殊结构,将层状堆叠的纳米级黏土薄片(laponite)嵌入到聚氨酯弹性体(elasthane), 制备了一种同时具有良好弹性和韧性的纳米复合材料。首先将黏土薄片溶解在水中, 利用能溶解聚氨酯的二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂通过溶剂置换方法(solvent-exchange approach)与水交换, 然后将聚氨酯弹性体加入到laponite-DMAc 混合物中, 通过控制DMAc溶剂的蒸发, 即可得到厚度在80~120 μm的黏土薄片-聚氨酯弹性体纳米复合体薄膜。坚硬的黏土薄片无序地分布在复合体薄膜中, 使材料在各个方向均得到强化。
研究发现, 自然界某些生物体中（如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等）含有极为少量的金属元素（如Zn、Mn、Ca、Cu 等）,以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能。例如, 一些昆虫身上最坚硬的角质层部位（如切叶蚁、蝗虫和沙蚕的颚等）Zn的含量特别高。受此启发, 最近, Knez 研究小组采用改进的原子层沉积处理技术, 不仅在蜘蛛牵引丝表面沉积上一层Zn、Ti或Al的氧化物涂层, 而且一些金属离子会透过纤维并与蜘蛛牵引丝蛋白进行反应。少量金属元素的加入极大地提高了天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强了蜘蛛丝的韧性。该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义。
5.仿生特殊浸润性表面
自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等。通过对生物体表面的结构
仿生可以实现结构与性能的统一。北航江雷课题组在揭示生物体表面特殊浸润性与微观结构之间的内在联系以及仿生构筑具有特殊浸润性功能界面材料的研究方面取得了一系列重要成果。
自然界中的某些植物叶表面, 最典型的是荷叶表面, 具有超疏水性质和自清洁功能（“荷叶自洁效应”）,水滴在荷叶表面具有较大的接触角及较小的滚动角。1997年, 德国生物学家Barthlott等研究人员通过对近300 种植物叶表面进行研究, 认为这种自清洁的特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水的蜡质材料共同引起的。2002年,该课题组发现在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构, 乳突的平均直径为5~9 μm, 每个乳突表面分布着直径在(124±3) nm的绒毛。此外, 在荷叶乳突之间的表面也具有纳米结构。这些研究结果表明, 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能。水黾稳定的水上运动特性源于其特殊的微/纳米多级结构效应，研究发现在水黾腿部微米级的刚毛上存在着螺旋状纳米级沟槽结构, 吸附在沟槽中的气泡形成气垫, 从而使水黾能够在水面上自由穿梭。
各向异性是图案结构表面的重要特征之一, 近年来引起了人们的极大兴趣。各个研究领域对各向异性的定义是有区别的, 通常各向异性是指介质的某种属性随方向而变化的性质。水滴在某些植物的叶表面滚动时会表现出各向异性。江雷等人发现水滴在水稻叶表面存在着滚动的各向异性。水稻叶是自然界中超疏水现象中较为特殊的: 水稻叶表面水滴仅易于沿着平行叶脉方向滚动。水稻叶表面具有类似于荷叶表面的微-纳米相结合的多级结构,但是, 在水稻叶表面, 乳突沿平行于叶边缘的方向排列有序, 而垂直方向则呈现出无序任意排列。与之相对应, 水滴在这两个方向的滚动角值也不同, 沿平行叶脉方向为3°~5, 垂直叶脉方向为9°~15°。研究发现, 水滴在水稻叶表面的滚动各向异性是由于表面微米结构乳突的排列影响了水滴的运动造成的。这一研究结果为制备浸润性可控的固体表面提供了重要的信息。最近, 他们在蝴蝶翅膀表面也发现了水滴滚动的各向异性。蝴蝶翅膀是由微米尺寸的鳞片交叠覆盖, 每一个鳞片上又分布着排列整齐的纳米条带结构, 而每个纳米条带由倾斜的周期性片层堆积而成. 这种特殊微观结构导致蝴蝶翅膀表面具有各向异性的浸润性。
固体表面的特殊浸润性包括超疏水、超亲水、超疏油、超亲油, 将这4种浸润特性进行多元组合, 可以实现智能化的协同、开关和分离材料的制备。从基础科学角度, 影响固体表面浸润性的因素主要有两个: 一是表面化学组成（表面自由能）, 二是表面微观结构（粗糙度）。随着人们对自然界中特殊浸润性表面的深入研究, 有关特殊浸润性表面的制备方法不断涌现。
仿生超疏水性表面可以通过两种方法实现: 一种方法是在粗糙表面上修饰低表面能的物质; 另一种方法是利用疏水材料来构建表面粗糙结构。受生物体特殊浸润性表面启发, 已经有研究者仿生制备了一系列具有微/纳多级结构的超疏水表面。如: 采用电纺技术, 制备出具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水薄膜材料; 利用化学气相沉积法制备了蜂房状、柱状、岛状结构的超疏水阵列纳米碳管;采用模板挤压法分别制备了具有超疏水特性的阵列聚丙烯腈纳米纤维和阵列聚乙烯醇纤维材料;采用具有含氟长链的有机酸为掺杂剂, 制备了具有超疏水特性的类红毛丹结构聚苯胺空心微球材料;利用静电纺丝技术, 仿生制备了具有类荷叶结构的聚苯胺/聚苯乙烯复合膜, 该复合膜表现出高导电性和自清洁效应, 并对酸碱溶液、腐蚀性氧化剂和还原剂表现出优异的超疏水特性和稳定的导电性。另外，北航江雷课题组还首次开展了立体各向异性的微结构对表面浸润性影响的研究, 将平板印刷术和等离子体刻蚀技术相结合, 制备了具有特殊几何形貌的硅基底,并利用化学气相沉积方法在其表面沉积了具有立体各向异性微结构阵列纳米碳管薄膜。研究表明, 在不改变薄膜表面的化学组成的情况下, 仅仅改变结构参数, 薄膜可以从超亲水变化到超疏水。这是由于横向和纵向纳米碳管阵列结构共存, 即立体各向异性微结构的存在所引起的。为提高金属的抗腐蚀性能,
他们还发展了一种在室温下简单有效的形貌生成技术来构筑稳定的仿生超疏水表面, 以铜为例, 在室温下将铜片浸泡在长链脂肪酸(如十四酸)的乙醇溶液中数天后, 经水洗、醇洗、干燥后即可得到超疏水的铜表面。在浸泡过程中, 铜表面先形成零星的小纳米片(簇), 随着浸泡时间的增长, 铜脂肪酸盐纳米片(簇)逐渐长大并形成花状的多级结构, 所得表面不仅具有良好的疏水性(接触角为162o), 而且还显示了很小的滞后性(滚动角小于2o)。为提高合金材料的抗腐蚀性, 构筑了具有微/纳米多级结构的超疏水Mg-Li合金表面, 材料显示了良好的抗腐蚀性能。刘维民研究组利用一步成膜法在铝、铜、钢等金属材料表面构筑了同时具有低表面能疏水基团及多孔网络微/纳米结构的超疏水涂层, 该涂层具有优异的超疏水性能、与基材高的结合强度、优异的耐酸碱介质性能、良好的耐高低温及长期稳定性能等特性, 为超疏水有机涂层材料的工程应用奠定了基础。
超疏油表面由于在环境、能源、工业、航海等领域具有广阔的应用前景, 近年来已成为表面功能材料研究领域的热点, 构筑超疏油尤其是疏各种低表面能液体表面仍然是这一领域的瓶颈。江雷等人采用相分离法, 利用聚合物在溶剂蒸发过程中自聚集、曲面张力和相分离的原理, 制备了具有类荷叶微/纳米多级结构的超双疏(同时具有超疏水和超疏油特性)聚合物涂层, 水和油的接触角可分别达到166°和140°。此外, 他们还首次开展了非晶合金表面的浸润性研究, 制备了具有超双疏特性的Ca-Li基非晶合金表面, 提高了非晶合金的抗腐蚀性能。通过设计固体表面的结构, 可以获得浸润性与黏附力可控的液/固界面。受鱼表面启发, 他们选用与鱼皮表面蛋白性质类似的水凝胶材料, 通过复型制备出具有鱼皮结构的仿生表面, 在水中可以实现超疏油特性且对油滴表现出极低的黏附力。2007年,Cohen 研究小组通过改善化学成分及材料的微观结构制备了超疏油材料, 这种新材料甚至能够让原本会吸附在物体表面的油滴弹起来, 该项研究工作为开发真正具有自洁功能的手机屏幕提供了可能。2009 年, 周峰研究小组首次在工程材料铝及其合金表面上通过简单快速的电化学反应与表面修饰相结合的方法成功制备了超双疏表面, 该表面对水、食用油、离子液体、有机溶剂、有机烷烃、聚合物熔体等各类非含氟液体表现出超疏特性，并且对航空润滑油类以及原油均显示出极低的黏附性。
固体表面的可控浸润性无论在基础研究还是工业应用方面都非常重要。近来, 国内外许多课题组相继构筑了具有光响应、电响应、热响应、pH响应或溶剂响应等特性的固体表面。在超疏水/超亲水智能响应材料方面,江雷等人制备了ZnO、TiO2、SnO2等无机半导体光响应超疏水/超亲水可逆“开关”材料;通过表面原子转移自由基聚合方法, 在SiO2表面制备了具有热响应超疏水/超亲水可逆“开关”材料;采用电化学沉积的方法制备了纳米结构的氧化钨薄膜, 将其交替暴露在紫外光和黑暗中可实现光致变色和光诱导浸润/去浸润两种开关性质, 该研究结果为开发新型的多功能响应界面材料提供了新思路。
随着浸润性研究的深入开展, 发现单一刺激的浸润性响应往往存在响应速度慢、控制灵活性差等缺点。为了实现更为有效的固体表面浸润性控制, 不同刺激协同作用下的固体表面浸润性响应研究已成为目前研究的趋势。有人将具有热敏性及pH值响应性的高分子同时接枝在基底表面, 制备了温度、pH 值双响应可控超疏水与超亲水可逆转换薄膜,在低温高pH 值的情况下, 高分子与水分子之间形成的分子间氢键是主要驱动力, 此时薄膜为超亲水状态; 在高温低pH值的情况下, 高分子内部的氢键是主要驱动力, 此时薄膜为超疏水状态。通过共聚合反应分别将温度响应高分子和pH 值响应高分子结合,构筑了对温度、pH值和葡萄糖浓度多响应浸润性表面。利用DNA纳米马达制备了焓驱动的三态浸润性智能开关表面(open-close-locked), 首先对DNA纳米马达进行功能化的修饰, 在其两端修饰疏水的功能团和表面固定基团(-SH, 巯基), 然后通过单层自组装将DNA纳米马达固定在阵列微结构的金基底上. 通过酸碱刺激, 在该表面上可以实现超亲水、亚稳的超疏水和稳定的超疏水三种状态之间的转换。这三种状态分别对应于DNA的三种构型: 折叠的四链结构、伸展的单链结
构与刚性的双链结构。这些结果有助于了解生物识别行为过程, 也有助于新型智能表面的设计和发展。研究表明, 基于光和电的协同作用可以实现更为有效的固体表面浸润性控制, 最近, 江雷等人提出了一种基于垂直基底生长的超疏水氧化锌纳米棒阵列表面构筑光电协同液体图案化浸润的方法, 在低于电浸润阈值电压的条件下, 通过图案化的光照来实现液体图案化浸润。首先通过水热反应方法制备了具有晶相取向生长的一维氧化锌纳米棒阵列
薄膜, 然后利用真空蒸镀的方法在所制得的氧化锌纳米棒表面蒸镀酞菁氧钛, 得到了氧化锌复合纳米棒阵列, 再进行氟硅烷表面修饰, 得到超疏水氧化锌复合纳米棒阵列表面. 通过详细研究电压和光强对光电协同浸润的影响, 得到光电协同浸润的工作区域并选择合适的工作电压和光强, 进行液体图案化浸润。该方法可以实现通过光的图案化来精确控制液体图案化, 在液体复印、微流体器件等方面具有重要的价值。仿生智能超疏水/超亲水响应“开关”由于在基因传输、无损失液体输送、微流体、生物芯片等领域具有极为广阔的应用前景而备受关注。上述这些“开关”材料体系的研制, 实现了从学习自然、模仿自然到超越自然, 是利用“二元协同概念”制备智能化材料的具体实例。
6.仿生高强超韧层状复合材料
自然界在长期的进化演变过程中, 形成了结构组织完美和性能优异的生物矿化材料, 如贝壳、珍珠、蛋壳、硅藻、牙齿、骨骼等。生物矿化是一个十分复杂的过程, 其重要特征之一是无机矿物在超分子模板的调控下成核和生长, 最终形成具有特殊组装方式和多级结构特点的生物矿化材料, 在生物矿化过程中, 生物矿物的形貌、尺寸、取向以及结构等受生物大分子在内的有机组分的精巧调控。利用生物矿化原理可指导人们仿生合成从介观尺度到宏观尺度的多种仿生材料。近来, 利用双亲水嵌段共聚物、树枝状高分子、聚电解质等有机物已成功构筑了仿鲍鱼壳结构的多孔层状方解石晶体、高度单分散的球文石微球、球文石碳酸钙微米环、螺旋结构的BaCO3纳米纤维等一系列具有不同结构和形貌的无机材料(CaCO3, BaCO3, CdCO3, BaSO4等)。基于生物矿化原理, 俞书宏研究小组在常温常压下利用外消旋聚合物分子(PEG-b-DHPOBAE)作为模板构筑了具有手性结构的超长螺旋状BaCO3纳米线。与以往利用大分子和有机构筑单元自组装形成的螺旋结构不同, 具有手性结构的螺旋状BaCO3纳米线的形成并不受固定排列约束, 而是通过纳米颗粒方向性构筑而成。由于非均匀性的聚合物吸附将导致中尺度上自发式对称性的破坏, 因此纳米结构单元的相互作用导致了手性结构的形成。
在众多的天然生物矿化材料中, 贝壳的珍珠层由于具有独特的结构、极高的强度和良好的韧性而备受关注。贝壳珍珠层是一种天然的无机-有机层状生物复合材料, 它是由碳酸钙（约占95%）和少量有机基质（约占5%）组成。虽然碳酸钙本身并不具有良好的强度、韧性、硬度等力学性能, 但整个贝壳体系却有着异乎寻常的力学性能, 其抗张强度是普通碳酸钙的3000多倍。这种良好的力学性能归因于珍珠层独特的微观结构, 即以碳酸钙薄片为“砖”, 以有机介质为“泥”, 形成多尺度、多级次组装结构。一方面,有机基质犹如水泥一样, 将碳酸钙薄片牢牢的黏结在一起; 另一方面, 这样的特殊结构可以有效地分散施加于贝壳上的压力, 从而使贝壳显示良好的力学性能. 受贝壳珍珠层启发, 国内外许多课题组已利用不同的方法合成了一系列仿生高强超韧层状复合材料, 以下是通过多级组装制备仿珍珠层有机/无机复合材料的几个典型实例。
2003年, Kotov 研究小组首次利用纳米薄膜组装技术将蒙脱土（纳米“砖”）和聚阳离子电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵（“泥”）复合, 制备了仿珍珠层有机/无机杂化材料-聚二烯丙基二甲基氯化铵/蒙脱土层状复合结构材料, 其极限拉伸强度和杨氏模量分别接近天然珍珠层和动物层板骨的力学性能, 是同类复合物机械强度的10倍。2007年, Kotov 研究小组利用层层组装（layer-by-layer, LBL）技术, 通过聚乙烯醇和蒙脱土之间的氢键以及空间位置缠绕作用, 将蒙脱土有效吸附在聚乙烯醇聚合物上, 经过多次“堆砌”及戊二醛交联, 得到
了聚乙烯醇/蒙脱土透明层状复合材料. 该材料具有良好的力学性能, 其极限拉伸强度和杨氏模量分别达到400 MPa和106 GPa, 相比于原始的聚乙烯醇材料分别提高了近10倍和100 倍。2008年, Studart研究小组利用自下而上(bottom-up)的胶体组装技术, 将高强度的陶瓷板(厚度在亚微米尺寸的Al2O3微板)与柔性生物高聚物壳聚糖通过逐层组装得到具有仿贝壳结构的陶瓷板-壳聚糖层状复合材料, 这种新型的层状陶瓷板-壳聚糖材料显示了良好的韧性、弹性和强度, 其强度是天然珠母贝的两倍. 与相同强度的钢相比, 陶瓷板-壳聚糖复合材料的重量仅是钢的1/2~1/4。仿贝壳特性的陶瓷板-壳聚糖复合材料在碎裂前具有25%耐变
形性, 而天然珠母贝在碎裂前仅具有1%~2%的变形性。由于这种复合材料还不能达到像珠母贝那样的完美结构, 所以其硬度仅为天然珠母贝的1/5~1/7。通过优化合成参数、界面结合强度等办法, 可以进一步提高材料的透明性和力学性能。最近, Kotov 研究小组利用层层组装技术, 通过从纳米到微米尺度的多级组装, 制备了聚氨酯/聚丙烯酸层状复合材料,材料呈现出良好的力学(强度、韧性等)和光学性能。以上实例表明, 通过模仿贝壳珍珠层有机/无机交替堆砌排列的特殊微观结构, 人工合成的有机/无机层状复合材料极大地提高了原始材料的强度、韧性等力学性能, 而且某些材料的相关力学性能已超过了天然贝壳珍珠层。
7.仿生高黏附材料
壁虎是一种攀爬型动物, 能攀爬极平滑或垂直的表面, 甚至能倒悬挂于天花板或墙壁表面。2000年,Full 研究小组对壁虎脚底的特殊黏附力进行了揭示, 研究发现, 壁虎的每只脚底大约有50万根极细的刚毛, 刚毛直径约5 μm, 长度约30~130 μm, 每根刚毛末端大约有400~1000根更细的分支(绒毛), 这些绒毛直径大约0.2~0.5 μm。这种微-纳米多级结构使得刚毛与物体表面分子能够近距离接触, 产生“范德华力”。虽然每根刚毛产生的力微不足道, 但是50万根刚毛积累起来的力已足以支持整个身体,使壁虎倒挂天花板, 实验表明, 100万根刚毛可以支持1225 N的力。壁虎脚趾的这种黏附结构还具有自洁、附着力大、可反复使用以及对任意形貌的未知材料表面具有良好的适应性等优点。受壁虎脚趾特殊微观结构及性能的启发, 国内外众多课题组相继开展了仿壁虎脚高黏附材料的研究。
2005 年, 江雷课题组利用模板覆盖法制备了仿壁虎脚高黏附材料-阵列聚苯乙烯(PS)纳米管膜。研究表明, 这种粗糙结构的PS膜表面具有超疏水性,而平滑PS膜只显示了弱疏水性。并且水滴在这种膜表面具有很强的黏附力。随着多壁纳米碳管合成技术的成熟以及纳米碳管兼具强度和韧性, 拥有良好的机械、力学性能等特点, 使得仿生合成具有仿壁虎脚结构的强黏附性材料成为可能。Dai研究小组利用等离子增强化学气相沉积和快速加热相结合的方法可以得到垂直排列的单壁纳米碳管阵列。这种特殊的干黏胶具有与壁虎脚类似的结构, 并且具有29N/cm2 的黏附力, 而壁虎脚仅有10 N/cm2。同时纳米碳管所特有的电学和热学性能使该干黏胶材料具有良好的导电和导热性能。Dhinojwala研究小组首先利用化学气相沉积法在石英或硅片上制备垂直排列的多壁纳米碳管(MWNTs, 直径在10~20 nm, 长约65 μm), 然后用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包覆这些垂直排列的多壁纳米碳管, 将PMMA-MWNTs浸泡在丙酮或甲苯溶液中50 min后使顶端露出25 μm长的纳米碳管, 随着溶剂的挥发、干燥, 垂直排列的MWNTs会纠结形成直径约50 nm的纳米碳管束。这种特殊结构在很大程度上增加了表面的粗糙度, 使其具有很高的黏附性。扫描探针显微镜的测试结构表明, 在纳米尺度上, 这种仿壁虎脚结构MWNTs材料的黏附力是壁虎刚毛的200倍。此外, Dhinojwala研究小组将具有多尺度结构的多壁纳米碳管阵列覆盖到100~200 nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸十八酯聚合物的表面得到了仿壁虎柔性贴片。以硅片为基底, 通过光刻、催化剂沉积以及化学气相沉积三个过程可以得到多尺度结构的多壁纳米碳管阵列。这种新型的黏合材料具有与壁虎脚底刚毛类似的结构和功能, 对许多物体表面（包括Teflon）都具有较强的黏附力并且能够反复黏贴、扯下, 其黏附强度是壁虎脚的4倍。2008年, 王中林研究小组利用低压化学气相沉积方法制备了结构可控的直立型多壁纳米碳管阵列，进而研制出具有强吸附和易脱离
性能的纳米碳管仿生壁虎脚材料。每平方厘米的阵列面积上拥有100亿个以上的直立纳米碳管,其密度远远高于壁虎脚刚毛末端的纳米分枝密度。这些纳米碳管阵列对接触物表面没有特殊要求, 不仅能在玻璃等光滑的物体表面产生强吸附力, 而且在其他粗糙或疏水物体的表面也一样适用。这种新型的纳米碳管阵列仿生壁虎脚将在航空、航天、电子封装、高温黏接等领域具有巨大的应用前景。
尽管壁虎脚具有很强的黏附能力, 但一旦进入水中, 壁虎脚底的黏性会骤然下降。水和其他液体一般被看作是黏合剂的“天敌”。而贻贝在水下的吸附能力超乎寻常. 贻贝是通过足底分泌出的胶黏蛋白质的化学作用, 来保持其独特的吸附能力。因此, 壁虎和贻贝实现超强黏附能力的方式是截然不同的。受贻贝和壁虎脚特性的启发, 2007年, Messersmith研
究小组研制一种能在水下发挥作用的“壁虎胶水”。其方法是将壁虎脚一样的特殊微/纳米结构与贻贝所采用的进行水下黏附的化学方法相结合,所获得的杂合型黏合剂(由一系列利用浸渍-提拉方法涂有多巴胺的小柱子组成, 这种聚合物类似于贻贝的黏性蛋白)在湿态和干态都表现出惊人的可逆黏附性, 黏附周期超过1000次。此外, Messersmith等人还将Ti基片、陶瓷粉末、金属、半导体、聚合物等衬底放到稀释的多巴胺溶液中, 利用浸渍-提拉方法将一层薄薄的多巴胺高分子胶生长到衬底上, 这种胶可以黏合到复杂的和有图案的表面。
8.其他仿生材料
海参通常是柔软而富有弹性的, 呈柔软的凝胶状, 但是当它受到威胁或刺激时, 它能够使自己的身体在很短时间内变硬. 这种特殊的“转换效果”是由于海参表皮层含有易变胶原纤维组织(mutable collagenous tissue), 其表皮硬度可以通过控制相邻胶原纤维间的应力传递实现调控, 而效应细胞所分泌的水溶性大分子可以控制相邻胶原纤维间的相互作用。受此启发, 通过对聚合物进行设计, 可以实现聚合物在接触特定化学物质时, 以指定的方式改变其机械性能, 特别是聚合物的硬度和强度。美国西储大学Weder教授等人利用环氧乙烷、环氧氯丙烷、纤维素纳米纤维等材料制备了仿海参结构的纳米复合体材料, 该材料可以像海参一样在几秒钟内实现僵硬与松软状态之间转换. 当加入引起氢键结合的溶剂后, 该溶剂打断了纳米纤维(晶须)之间的键合, 因而使材料变软; 当溶剂挥发后, 晶须之间的网络结构会重新形成, 使该材料变硬。
生物的形态经过亿万年的进化, 形成了适合生存环境的种种形态, 而保持这种形态的骨骼系统在强度、硬度和稳定性等方面是很完美的。如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态。骨是典型的天然有机-无机复合材料, 主要由I型胶原纤维、碳羟磷灰石和水组成。骨中的碳羟磷灰石晶体均为板形, 长约50 nm, 宽约25 nm, 高约1.5~4.0 nm。板状晶体位于胶原纤维(直径在几十至几百纳米, 长度在几微米至几十微米)的空隙区域, 排成层状. 胶原质与生物磷灰石之间的界面及碳羟磷灰石晶体为什么具有板形结构有待于进一步研究。骨骼复杂而精巧的多尺度分级结构使其具有优异的力学性能,此外这种特殊的结构对于培养细胞环境具有重要的影响和作用。尽管与动物骨骼力学性能相近的人造骨研究已取得了重要进展, 但是, 目前在仿骨骼结构材料中还存在许多不完善的地方, 如: 涂层生长周期过长; 涂层与基体之间的界面结合强度不是很高;三维多孔立体结构的构筑; 材料的可展性和良好的机械强度; 需具有良好的细胞-材料界面特性等。这需要深入研究生物体内生物矿化的机理, 结合仿生合成的具体工艺特点, 提高仿生合成工艺, 以便在不久的将来开发出性能更加优良的仿骨骼结构材料。
洪堡巨鱿(Dosidicus gigas)的喙状嘴是已知的完全由有机材料组成的最坚硬的物质之一。最近, Waite等人对该鱿鱼的喙状嘴进行了研究, 发现洪堡巨鱿喙状嘴切割端虽然非常坚硬, 但是它在越靠近喙状嘴附着的柔软肌肉组织时, 会变得越来越柔软, 而且其可弯曲性也越来越大。通过对喙状嘴的每一节段特定化学组成的测定, 并在每一点上将其与喙状嘴的力学性质进行配对, 发现喙状嘴的坚硬程度是通过控制几丁质、水、含多巴蛋白质的比例来实现的。
该生物材料结构与性能的揭示, 为仿鱿鱼喙状嘴人工材料的制备提供了重要理论指导。
仿生材料自20世纪90年代发展以来所取得的成就以及对各个领域的影响和渗透一直引人关注。尤其是纳米科学技术的迅速发展使仿生研究实现了在原子、分子、纳米及微米尺度上深入揭示生物材料优异宏观性能与特殊微观结构之间的关系, 从而为仿生材料的制备提供了重要支撑。随着材料学、化学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展, 仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展, 实现结构与功能一体化将是仿生材料研究前沿的重要分支。以二元协同纳米界面材料为设计思想, 将仿生科学与纳米科学相结合, 开展仿生结构、功能及结构-功能一体化材料的研究具有重要的科学意义, 它将认识自然、模仿自然、在某一侧面超越自然有机结合; 将结构及功能的协同互补有机结合; 并在基础学科和应用技术之间架起了一座桥梁, 为新型结构、功能及结构-功能一体化材料的设计、制备和加工提供了新概念、新原理、新方法和新途径。仿生结构及其功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用, 并将在航空、航天、国防等领域具有广阔的应用前景。
仿生技术及其应用
一、仿生学的诞生 ?人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究， 促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。 生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。 于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。 ?简言之，仿生学就是模仿生物的科学
二、仿生技术发展 现代仿生学已经延伸到很多领域，它的发展需要生物学、物理学、化学、医学、数学、材料学、机械学、动力学、控制论、航空、航天和航海工程等众多学科领域工作者的合作；反过来，仿生学的发展叉可以推动这些学科的进步。自20世纪60年代初仿生学诞生以来，仿生技术已得到迅速发展，在军事、医学、工业、建筑业、信息产业等系统获得了广泛应用，如仿生技术已成功地应用于精密雷达、声纳、导弹制导、机器人等领域中。
三、仿生技术分类及主要研究内容 ?仿生技术归纳为：结构仿生、功能仿生、材料仿生、力学仿生、控制仿生等类别。 ?1、结构仿生 ?结构仿生(Bionic Structure)是通过研究生物肌体的构造，建造 ?类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。 ?1．昆虫仿生：模仿昆虫独特的形体结构和运动方式。 ?2．蛇类仿生：模仿蛇类运动的高冗余自由度。 ?3．变形虫仿生：模仿变形虫形体的几何可变性和自重构。 ?4．人体仿生：模仿人体的高度灵活性和功能复杂性。
新型功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。 1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等
仿生学应用综述 仿生学是一门既古老又年轻的学科。人们研究生物体结构与功能的工作原理，并根据这些原理发明出新的设备和工具，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术。某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。 仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 仿生学在很多方面都有应用，对当今的科学技术发展提供了源源不断的动力。以下就是一些精彩的案例。 我们学校以纺织专业著称，而一种好的纺织材料是大家都追求的。在这方面，科学家也进行过研究。比如， 蜘蛛丝仿生材料概述及应用 采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域.天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高), 为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表 现出广阔应用前景.受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料 的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计
方法。1.材料学院无机非1302班武艳琪1310220226。 生活中一些微不足道的事物也会成为仿生学的应用。比如小小的苍蝇。苍蝇为人类做出了的伟大的贡献。令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。另外苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是个“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶2. 39
仿生结构及其功能材料研究进展 摘要本文结合作者课题组的相关工作, 就多种仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势. 关键词仿生合成结构材料功能材料智能材料浸润性离子通道 1.光子晶体材料 光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩.模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体. 矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用. 2.仿生空心结构材料 自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管, 这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能. 3.仿生离子通道材料 生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式. 被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵. 离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性. 生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等[26]. 纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点. 4.仿生超强韧纤维材料 天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景. 随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证. 研究发现, 自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极为少量的金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等), 以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能. 受此启发, 采用改进的原子层沉积处理技术,提高天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强蜘蛛丝的韧性. 该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义. 5.仿生特殊浸润性表面 自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等. 通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一.
仿生材料研究进展(讲义) Research Progress of biomimetic materials 仿生学（Bionics）诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文[1]，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索[2-6]。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。但人们往往狭义地理解“mimetic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料(Biomimetic Materials)。这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。 一、天然生物材料与生物医学材料 天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，具有独特的结构和优异的性能。通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合成决定于遗传基因，即RNA〈核糖核酸〉中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基酸[7]。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”，可以改变某些碱基对的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，因此将会作为功能材料和结构材料得到应用。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场[8]。 据统计，被详细研究过的生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科的各个领域，在医学临床上应用的就有几十种。用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料被称为生物医学材料〈Biomedical Materials〉[9]。根据材料的生物性能，可分为生物惰性材料(Bioinert Materials)与生物活性材料(Bioactive Materials)两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，后者则能诱发出特殊生物反应，导致组织和材料之间形成键接，或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材料的组成又可分为：生物医学金属材料(Biomedical Metallic Materials)，生物医学高分子材料（Biomedical Polymer），生物陶瓷（Biomedical Ceramics），生物医学复合材料（Biomedical Composites），生物衍生材料(Biologically Derived Materials)等。生物医学材料要直接与生物系统结合，除应满足各种生物功能和理化性能要求外，还必须具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身的效能和使用寿命。医学临床对所
齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日
仿生材料学研究进展 摘要：仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
仿生材料学 自然界中的动植物经过45亿年物竞天择的优化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。由于仿生材料的优良特性，在世界各地各个领域得到了广泛的应用。所以，如何以材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并且用以设计和制造先进的复合材料是当前国际上材料研究的一大热点。 仿生材料是指模仿生物的各个特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。而仿生材料的设计不仅要模拟生物对象的结构，更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合，对于推动材料科学的发展有重大意义。 如今仿生材料的应用非常广泛。在医学、能源、建筑、军事等领域都有应用。可以说，仿生学已经融入到我们的生活中了。就拿我们材料成型专业来说，对于汽车外壳的设计就要用到仿生学，通过模仿鸟的流线体型可以达到减小阻力的目的，这样设计出来的车子能够跑得更快，耗能更少。受自然界荷叶效应的启发，通过在漆膜表面喷砂，植入纳米二氧化硅低表面能氟修饰获得了表面均匀程度良好的超疏水表面，这种表面很好的起到了荷叶“出淤泥而不染”的特性，有着很好的防水性能和清洁性能。现在的高强度材料就是运用了仿生学的原理，模仿蜂房的形状，做出的材料结构不仅强度高，塑性也非常好，有些仿生材料的强度甚至比钢铁还强几百倍。蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，鳞片自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究，为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。这些都是材料仿生的应用，可以说材料仿生学小到普通人的生活，大到宇宙开发探索都起着重要的推动作用。 大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学——和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构。因此，要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。 重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。仿生学将为我国科学技术创新提供新思路、新原理和新理论。为适应我国科学和技术源头创新的需要，进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展，我们材料学者应以积极主动的姿态学习世界前沿的科学知识，开发出更有前景、更有科技含量的仿生材料。
仿生材料学研究进展 摘要：本文介绍了可降解塑料的研究进展，论述了仿生材料学研究进展及其种类，重点介绍了当前研究热点：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料… 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 1.引言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 2.仿生材料 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成.动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就是仿生材料.
2.1表面仿生超疏水材料 自然界中的超疏水现象近年来，基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发和研究正在各个领域广泛开展，人们对于超疏水表面的研究就是受到荷叶“出淤泥而不染”这种现象的启发而不断发展起来的。固体表面的润湿性可以用表面和水的接触角来衡量，通常将接触角小于900的固体表面称为亲水表面，接触角大于900的表面称为疏水表面，而将接触角大于150。的表面称为超疏水表面llI。自然界中，水滴在荷叶表面上可以自由滚动，当水滴滚动时可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。因此，超疏水表面 又被称为自清洁表面。20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家Wilhelm Barthlott针对荷叶表面不沾水这一特殊现象进行了一系列的实验，发现了荷叶的疏水性与自我洁净的关系，创建了“荷叶效应”(Lotus effect)--i百-Jt21。此后，超疏水表面在世界范围内引起了极大的关注，并且逐渐成为仿生纳米材料技术中的热点之一。这种表面在国防、工农业生产和日常生活等许多领域都有着极其重要的应用前景。例如，将其应用在高降雪地区的室外天线上，可以防止积雪，以保证信号畅通13J：用于石油管道中，可以防止石油对管道壁粘附；作为汽车、飞机、航空器等的挡风玻璃，不仅可以减少空气中灰尘等污染物的污染，还能够使其在高湿度环境或雨天保持干燥：用于水中运输工具或水下核潜艇上，可以减少水的阻力，提高行驶速度；用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等等。
《功能材料概论》期末小论文 浅谈仿生功能材料 摘要：随着人民生活质量的进一步改善和提高 ,人们的生活对各种科学技术的要求也不断提高，而许多科技产品的发展都需要新型材料的支持，而新型功能材料正好能为科技提供发展基础。什么是功能材料？功能材料具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，有特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场,从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。下面我想谈谈功能材料的一个分支-----仿生功能材料 一、什么是仿生功能材料？ 仿生功能材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。自然界中存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。我们通过研究他们的特点特性，制造我们能使用的材料，例如研究萤火虫发明人工冷光、研究电鱼发明伏特电池；研究苍耳属植物发明尼龙搭扣、研究鲨鱼发明特质泳衣…… 二、仿生功能材料的基本原理 现实生活中我们接触过许多动物与植物，例如屹立几百年而不倒的大树；几乎不发热量的冷血昆虫，而地球上所有生物都是由一些简单且廉价的无机和有机材料通过组装而形成，他们仅仅利用极少的几种元素，主要是碳、氢、氧、氮等组合而成，便能发挥出多种多样的功能，这实在令人叹服！在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同，迄今为止，再高明的材料科学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋中长出的色彩斑斓、坚固又不被海水腐蚀的贝壳。如果我们眼光投向生物体的材料构造与形成过程，在充分的理解生物现象之后，用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来设计与制作适合人类生活所需的材料。 三、仿生功能材料的运用举例及原理 1、自清洁玻璃
仿生材料在环境保护中的应用现状与前景 摘要：仿生材料是材料学科的一个新的研究领域，本文介绍了环境材料的研究现状，指出环境材料的合理应用在环境保护中发挥的重要作用，并从仿生材料科学与工程以及净化环境的观点介绍了仿生材料材料的主要研究研究现状及其环境保护中的应用现状与前景，并展现与生态环境协调的材料和系统的构思。 关键词：仿生材料、环境材料、环境保护 前言： 材料是直接或间接利用自然资源来制造成有用物件的物质[1],是人类社会文明进步的物质基础和先导，材料科学家把材料科学与工程定义为关于材料的组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学[2]。长期以来，材料的生产—使用—废弃过程，可以说是一个提取资源，再大量地将废弃物排回到环境之中的恶性循环过程。在这一过程中，人们在材料设计时很少注意到自然资源和生态环境对此恶性循环的承受能力。基于此，曾汉民提出了促进可持续发展的材料设计与自然资源密切关系的模式[3]，它充分反映出材料的设计、应用与环境、资源的和谐、协调。他认为化学组成、物理结构是材料的2个基本要素，决定了材料的性质、使用性能和制备工艺。同时，这些因素与环境及资源都紧密相关且相互作用。 所谓生态材料(eeomaterials)系指从生态学角度构思与环境协调的材料。随着社会的发展，资源消耗急速增加，大量废弃物及有害物的排出，使周围环境、地球环境日益恶化。21世纪世界人口将突破100亿，为了解决资源和环境的协调问题，必定要在材料科学与工程学科的发展中反映环境意识[4]。 在环境材料中有一类是仿生材料，它指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。我们在现实生活中接触过许多动物与植物，他们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成，例如能够跳动80年都不停止的人类心脏，几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看，仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能，简直不可思议。因此，仿生
仿 生 材 料 专业无机非金属_______班级 09-01____________学号310906010129_____姓名姚自强___________
仿生材料 一.仿生材料的起源. 在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子: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;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是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。一．定义和研究范围 1.1定义 受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称为仿生材料 1.2研究范围 材料仿生的研究范围广泛，包括微结构、生物组织形成
机制、结构和过程的相互关系，并最终利用所获得的结 果进行材料的设计与合成。 二．仿生材料的分类 2.1从仿生材料的使用的场合来看可分为医用材料、工程材料和功能材料等。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、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。 三. 仿生材料的成果. 3.1雌蛾求爱－防治害虫我国科学家破译了雌蛾的化学语言后，研制出“仿生诱芯”，即人工合成雌性飞蛾吸引雄性飞蛾的激素的气味. 然后将其加入一种硅橡皮塞中，置于诱捕器中，使其缓缓释放，引诱大量的雄蛾自投罗网，既杀虫，又可根据诱捕量预测害虫的发生期。迄今为止，我国科学家已研制成功60多种“仿生诱芯”，对我国主要农林害虫的测报和防治起了重要作用。 3.2鲨鱼皮肤－泳衣一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使
仿生材料的研究现状及应用 1.研究背景 人类探索自然的历程经历了数千年, 然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从6 亿年前的单细胞组合开始, 造就了海藻、水母、昆虫、鸟兽, 直至人类这样的多细胞生物体，生物化石等等。因而就激发了今天的人类仿造天然的灵感。材料科学技术与生物技术、信息技术和能源技术一起成为现代社会文明发展的四大支柱。从材料的角度来研究生物体的规律，进行仿生设计，为新材料的设计和制备开辟了新的途径。仿生材料的发展日新月异，它已成为生物科学、材料科学、医学、矿物学、化学等众多学科的研究热点，并在各领域取得了一定的进展。这一切充分说明仿生材料这门年轻学科正在成熟，其广阔的研究和应用前景不可估量。 2.国内外研究现状 国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20 世纪80 年代。目前, 国际上一流大学都已把生物材料放在优先发展的地位。中国生物与仿生材料研究者在这一领域已取得国际瞩目的研究成果。自1988 年中国生物无机化学家王夔院士和材料学家李恒德院士将生物矿化的概念介绍到国内后, 中国的生物矿化研究开始逐渐形成规模。其中很重要的一个方面就是在学习矿化材料合成方法的基础上, 研究并实施新的材料制备策略。而深入进行这些工作的一个重要前提就是表征天然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理。 3。仿生材料相关介绍 3。1仿生材料学定义 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science) , 它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系, 进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科, 是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起, 形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构, 更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合, 对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构, 并且具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。 3。 2仿生材料化学 著名的生物矿化和仿生纳米材料学家, 英国Bristol 大学S。Mann 教授在2002 年美国Gordon 会议上有一个题为“基质诱导成核: 一个矿化过程的介观现象?”的精彩报告。报告指出, 生物矿物通常在有机的模板如大分子框架、脂膜或细胞壁表面合成。因此, 第一需要理解生物源的矿物生长和形态发生,例如, 磷酸钙、碳酸钙和氧化硅如何在有机分子和有机表面存在时发生沉积过程。第二, 利用生物结构和系统, 在实验室内模拟矿化过程, 从而在有机组分如病毒和细
仿生材料学的研究设想 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。 在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子: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;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海 水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生 材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是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。 但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。 一、产品仿生设计 “仿生学”是1960年由美国斯蒂尔博士提出的从生物界发现原理来解决人类技术问题的一门综合性的交叉学科，是利用自然生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的标准，有意识地进行复制，它使人类社会由向自然索取转入向自然界学习和创造世界的新纪元。 产品仿生设计核心目标是利用仿生学提升产品的综合品质，需要综合考虑产品外部系统中的环境因素、人机因素、市场经济因素和产品内部系统中的功能要素、结构要素、材料要素、界面要素、造型要素、色彩要素、文化情感要素等等。在产品仿生设计的概念设计阶段，如果没有一个科学、系统的指导方法，设计师很容易将思维放在单一角度去思考，特别是因为过多地考虑造型、色彩等因素而忽略其它因素。 二、产品仿生创新内涵 产品仿生创新是指在社会及市场需求指引下，通过有效的观察、研究和模拟自然界生物的各种特性，包括生物的功能结构、材料色彩、生态外形、情感文化因素、为产品设计提供新的思路和方法，产生有环保价值和市场价值的新技术、新产品的方法论。 三、产品仿生创新机理 相似类比产品仿生创新机理，指人们在进行产品创新时，将产品与相关生物进行类比，利用已有产品特征与生物功能的相似性，可得到新的产品创新思路或方案。人类大部分创新产生于相似类比，它是产品仿生创新的重要机理。比如从鸟的飞翔到飞机、飞艇和飞船设计，从人的行为到机器人设计等。
仿生材料 仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为人类做出更大的贡献。 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子: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;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是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。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。 例1.人造纤维 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。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,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。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。 例2.人鱼传说 在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解
仿生材料与仿生制造 学号：12121138 姓名：刘艳华专业：冶金工程 摘要：仿生学是-门交叉学科，它融合了生命科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等七大学科，是探讨生物体材料结构与形成过程，并借鉴生物材料的结构及其特殊构效关系来启迪人工材料的设计与制作的新兴综合型学科。本文综述了仿生材料学的概念及研究意义，以及仿生材料学的研究热点、研究进展和发展趋势为目的。 关键词：仿生材料；仿生制造；发展趋势；快速成型 正文：我们都知道生物体经过20亿年的选择、进化、磨合和积累，形成了微观复合、宏观完美的结构，是传统材料所不能及的。在现代生活的各个领域，仿生材料学都发挥着巨大的作用。近年来，随着相关学科的发展和现代技术的进步，尤其是快速成型技术的质的突破，仿生材料学得到了飞速的发展。其成果在航空材料、生物医用材料、纺织材料等方面得到了广泛的应用。仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标，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。 （一）仿生材料 我想大家都知道，在材料科学领域，许许多多的伟大发明和引人注目的成果的最初灵感都是源于大自然中生物的启迪，这也就是我们所说的仿生材料。我想最为人所知的莫过于“荷叶效应”
了吧，人们通过肉眼的观察，发现荷花出淤泥而不染，于是科学家通过电子显微镜观察了荷叶的微观结构，发现荷叶表面有无数的乳突，而每个乳突上又有几百根小的绒毛，让水滴不能再上面停留，表面张力使其将灰尘带着一起滚落而自洁，受此启发，人们发明了自洁窗户和外墙涂料。 仿生材料有着传统材料所不及的优良特性，例如生物活性组织的仿生。骨骼，肌体和器官的自修复自组织自适应自生长和自进化的研究等。目前医学上采用的人工材料人工骨骼有主要还是陶瓷，磷酸盐材料，硫酸钙材料等，虽然他们的生物相容性较好，但是这些传统材料存在的主要的问题是这些异化材料不能很好的适应人体，移填后在人体内降解速度也很慢，更谈不上诱导骨骼再生，使康复工程也很大的局限，小孩子的局限更为明显。医学上，生长因子，活体细胞的培养技术已较为成熟，不过培养的速度相当慢，无法满足医疗康复对活体组织的要求，迫切期待技术的革新，于是快速成型制造人工骨骼和器官变得相当重要。 （二）仿生制造 上面已经说了快速成型制造骨骼和器官的重要性了，现在就说一说几种快速成型的几种工艺，较为成熟的有分层实体法，选择性激光烧结法，熔融沉积法和三维打印技术等，这次我主要想说说三维打印这项简单而有个质的突变的技术。简单的说主要就两步:三维设计和打印技术而已。三维打印的设计过程是：先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将
仿生学的发展及应用 摘要：仿生学科的出现发展已经有将近60年的历史，在这期间仿生学得到了快速的发展，并对人类生活产生了各方面的影响。本文介绍了从古到今仿生学的发展历程及今后仿真学的发展趋势。并对不同领域内仿真学的应用做了简要的介绍和举例，从而更好的了解认识仿真学。 关键词：仿真学；发展；应用 引言 地球上的生物在经历了漫漫的进化之后，到现在人类已知的已经有170多万个物种，科学家推测世界上的物种大约在500-1000万种之间甚至更多。生物为了求得生存和发展，在进化中逐渐形成了各自适合自身的形态结构及生命系统等。不同的物种都各自有着自身的特点，人类在进化发展的过程中，对这些特点的应用就是仿生学最初的起源。自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理、重大发明的源泉。在500万年的进化中，人类不断模仿自然，提升生产能力，才有现在人类社会的发展程度。而这种行为，在现代社会催生出了一门科学——仿生学。 仿生学是一门综合性的，由生命科学和工程技术相互结合而产生的新技术，在现代社会广泛应用于军事、医疗、工业和日常生活等多个领域。了解仿生学的发展过程，清楚仿生学在各个领域的具体应用，对于研究仿生技术，进一步促进仿生学的发展有着重要的意义。 仿生学诞生前的发展及应用 仿生学的发展可以追溯到人类文明的早期，人类文明的形成过程中不自觉的对仿生学的应用，这些应用仍旧停留在比较原始的阶段，由于环境的恶劣，人类不得不从自然界的其它生物及自然现象中学习从而保证自己的生存。因此，从远古时代起，人们实际上已经就已在从事仿生学的工作[1]。例如，人类现在仍在使用的工具：锯子，相传是中国古代的春秋战国时代，鲁班上山伐木途中，手指为锯齿草划破，从而受到启发，经反复实践，终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[2]。古代人类就有着想要利用工具飞翔的期望，自古以来就有很多人模仿鸟类制作出许多“飞行器”，但是由于科学发展的程度不够，都没有成功。直到1903年12月17日，美国人莱特兄弟发明并成功试飞了人类历史上的第一台飞机。以上两个例子都是人类发展中仿生学的应用，然而这些发明等都只是科学史上各自独立的发展成
第一章绪论 1、基本概念 仿生学概念：人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。生物材料：通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedical materials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。仿生材料（Bio-inspired）：受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。智能材料：具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。 2、智能材料的特征 具体地说，智能材料具备下列智能特性： (1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等； 2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应； (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能； (4)反应灵敏、恰当； (5)外部刺激条件消除后能迅速回复 智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。 3、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。 敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）。 常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。 在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用 4、智能材料的应用 （1）用于航空、航天飞行器：例：采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。（2）用于建筑、工程结构：例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹