第9章-复合材料-仿生.ppt

1、1BiomimeticPolymerCompositesBio-inspiredMaterials第第9章章仿生复合材料仿生复合材料-探讨自然界的启示探讨自然界的启示2古代古代鲁班造锯：鲁班造锯：上山砍树，因带齿的丝茅草叶上山砍树，因带齿的丝茅草叶划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动的仿生例子。的仿生例子。现代现代3自然界的智慧自然界的智慧隐身衣隐身衣当光线照射到一个物体时，物体会当光线照射到一个物体时，物体会将光线反射回来。反射的光线进入将光线反射回来。反射的光线进入人们的眼睛，于是眼睛就看到了该人们的眼睛，于是眼睛就看到了该物体。这就是物体可见的原理

2、。而物体。这就是物体可见的原理。而由由“超材料超材料”制成的隐形衣则具有制成的隐形衣则具有负反射率的特点，可以紧紧吸住照负反射率的特点，可以紧紧吸住照射过来的光波，让光波辐射沿最内射过来的光波，让光波辐射沿最内圈弯曲，只停留在衣服周边缓慢波圈弯曲，只停留在衣服周边缓慢波动，而不会反射出去，于是就产生动，而不会反射出去，于是就产生了隐形效果。穿上隐形衣的人也将了隐形效果。穿上隐形衣的人也将隐藏于其中。隐藏于其中。4形状仿生形状仿生蚂蚁车蚂蚁车5自然法则自然法则能量最小原则（非共价键，室温，光合作用）能量最小原则（非共价键，室温，光合作用）最优化原则（优胜劣汰最优化原则（优胜劣汰-隐身色）隐身色）

3、功能适应性原则（进化）功能适应性原则（进化）6生物材料的特征最小能量判据-化学反应发生在低（室）温-氢键,亲水/疏水相互作用-分级结构（分子组装）优化的性能（功能）-手性-液晶（取向）-对刺激的响应性生物循环圈-起始材料（C,H,O,Si）简单-可修复，可再生7生物材料的结构特征分级结构（头发，木）纳米结构（荷叶，蝴蝶）膜结构8仿生学和仿生材料学原理-向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有生物结构、特点和功能的新学科。仿生是方法结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级结构，优化的结构等）功能（催化，传输过程，分子识别等）从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系，研发类似或优于生物材料的新材料

4、9仿生材料学（例）荷叶效应蝴蝶颜色叶绿素的光合作用生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂）腱，头发和木的分级结构骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构贝壳韧性（薄壳结构）蛛丝强度蜂窝结构的稳定性10荷叶效应（LotusEffect）自清洁表面（涂料，材料）德国生物学家Barthlott发现国家体育馆11荷叶表面特征-112莲叶表面特征-2微凸球（乳突）阵列13滚动角（A-R）小，易滚动14蝴蝶翅膀：自清洁性微凸球（乳突）阵列超疏水性15蝴蝶翅膀：结构色蝴蝶翅膀：结构色16蛛丝：强而韧蛛丝（蛋白质纤维）是世界上最坚韧的纤维材料。杜邦公司利用基因技术，已制造出具有蛛丝特性的蛋白质并制成纤维，具有更高的强度

5、、韧性和耐磨性。液晶纺丝1.4万只蜘蛛产出的蛛丝仅有1盎司（约28.35克）17蛛丝纺织品（六氟异丙醇溶液）70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球体蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上抽取了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织成这块11英尺4英尺的披肩（重1.18kg）18昆虫壳昆虫壳-甲壳质纤维甲壳质纤维/蛋白质基蛋白质基体复合材料体复合材料19贝壳：贝壳：95%95%CaCOCaCO3 3/5%/5%蛋白质基体蛋白质基体复合材料复合材料20增韧机理：增韧机理：有机基体纤维化的作用有机基体纤维化的作用21增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构（稳定性好）（稳定

6、性好）22珍珠：砖墙结构和蜂窝结构珍珠：砖墙结构和蜂窝结构23骨：复合材料骨：复合材料（胶原为基体，磷酸钙为分散相）（胶原为基体，磷酸钙为分散相）24仿骨哑铃形状仿骨哑铃形状-拉伸拉伸-增强机理增强机理脱粘，拔出，断裂25树根：自修复树根：自修复复合材料自愈合复合材料自愈合261.塑料涂层(学习对象：鲨鱼)细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上，尽管不是故意的。事实上，美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁长达一亿多年。如今，正是由于鲨鱼这一特性，细菌感染可能会

7、重蹈恐龙的覆辙从地球上彻底消失。与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼布伦南(TonyBrennan)带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后，他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。今天，该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料

8、涂层，目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验，比如开关、监控器和把手。迄今为止，这种技术看上去确实可以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标：下一步是开发一种可以消除另一个常见感染源尿液管的塑料涂层十大仿生技术272.音波手杖(学习对象：蝙蝠)这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖(Ultracane)的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速

9、度发送超声波脉冲，并等待它们返回。当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术，开发出适销对路的产品。283.新干线列车新干线列车(学习对象：翠鸟学习对象：翠鸟)日本第一列新干线列车在日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候，它的速度达到每小年建造出来的时候，它的速度达到每小时时120英

10、里英里(约合每小时约合每小时193公里公里)。但是，如此快的速度却有一个不利。但是，如此快的速度却有一个不利方面，方面，列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音，乘客抱怨说有一种，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治(EijiNakatsu)介入介入了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者，他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气，形成了一堵断推挤前面的空气，形成了一堵“风墙风墙”。当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，当

11、这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时，便产生了震耳欲聋的响声，这本身对列车施加了巨大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之这本身对列车施加了巨大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水一样后，意识到新干线必须要像跳水运动员入水一样“穿透穿透”隧道。为了隧道。为了获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类获取灵感，他开始研究善于俯冲的鸟类翠鸟的行为。翠鸟生活在翠鸟的行为。翠鸟生活在河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀河流湖泊附近高高的枝头上，经常俯冲入水捕鱼，它们的喙外形像刀子一样，瞬间穿越空气，从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。子一样，瞬间穿越空气，

12、从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验，发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都那堵风墙的外形几乎同翠鸟的喙外形一样。现在，日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安静地离开隧道。事实上，具有长长的像鸟喙一样的车头，令其相对安静地离开隧道。事实上，外形经过改进的新干线列车的速度比以前快外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%，能效高出，能效高出15%。294.风扇叶片(学习对象：驼背鲸)美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克费

13、什(FrankFish)教授表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起，它们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是，根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累赘，但现实中却帮助鲸鱼游动自如。于是，费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞，看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得状肢更符合空气动力学原理。费什发现，它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成鳍不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”(tubercleeffe

14、ct)，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的叶片和机翼。根据这项研究，费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片，令其空气动力学效率比标准设计提升20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片，不久将开始申请使用其节能技术，用以改善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为，在风力涡轮机的叶片增加一些隆起，将使风力发电产业发生革命性变革，令风力的价值比以前任何时候都重要。30无叶片的风扇315.在水面行走的机器人(学习对象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(JesusChristlizard)，这种称呼还是有一定道理的，因为它能在

15、水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕，不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因为它能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷斯蒂(MetinSitti)正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时，他深受启发，决定尝试制造一个具有相同本领的机器人。这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水面保持完美接触。经过几个月的努力，斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走的机器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机

16、械装置偶尔会翻滚，沉入水中。在他克服了重重障碍以后，一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。326.太阳能电池板(学习对象：马勃菌)橙黄色的马勃菌海绵(puffballsponge)并不多见，它基本上是一种生活在海底的“碰碰球”。马勃菌海绵并没有任何的附肢、器官、消化系统和循环系统，无时无刻不在过滤水体。然而，这种并不招摇的生物或许会是未来技术革命的催化剂。马勃菌海绵的“骨骼”是由众多格子状的硅钙物质构成，事实上，它类似于我们用以制造太阳能电池板、微芯片和电池的材料，但有一点不同：我们在制造这些材料时需要大量能量和各种各样的有毒化学物质。马勃菌海绵显然在这方面做得更好：它们只要向水中释放特殊的酶，从中吸收硅钙，就能把这两种化学物质变成需要的外形。美国加州大学圣巴巴拉分校生物技术教授丹尼尔摩斯(DanielMorse)研究了马勃菌海绵酶的特性，并在2006年成功进行了复制。他通过清洁、效率很高的海绵技术制出大量电极。当前，多家公司将投资数百万美元创建一个企业联盟，将类似产品推向市场。几年以后，当太阳能电池板忽然出