10-复合材料9-仿生

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,2007,Y.Lu,1,Biomimetic Polymer CompositesBio-inspired Materials,第,9,章 仿生复合材料,-,探讨自然界的启示,2,古代,鲁班造锯：,上山砍树，因带齿的丝茅草叶划破手指而发明了锯子，是一个古老而生动的仿生例子。,现代,3,自然界的智慧,隐身衣,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。而由“超材料”制成的隐形衣则具有负反射率的特点，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，于是就产生了隐形效果。穿上隐形衣的人也将隐藏于其中。,4,形状仿生,蚂蚁车,5,自然法则,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,-,隐身色）,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,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（,Lotus Effect）,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-1,12,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,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、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-甲壳质纤维,/,蛋白质基体复合材料,19,贝壳：,95%,CaCO3/5%,蛋白质基体,复合材料,20,增韧机理：,有机基体纤维化的作用,21,增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构（稳定性好）,22,珍珠：砖墙结构和蜂窝结构,23,骨：复合材料,（胶原为基体，磷酸钙为分散相）,24,仿骨哑铃形状,-,拉伸,-,增强机理,脱粘，拔出，断裂,25,树根：自修复,复合材料自愈合,26,1.,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,(Tony Brennan),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,27,2.,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。,28,3.,新干线列车,(,学习对象：翠鸟,),日本第一列新干线列车在,1964,年建造出来的时候，它的速度达到每小时,120,英里,(,约合每小时,193,公里,),。但是，如此快的速度却有一个不利方面，,列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音,，乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时，日本工程师中津英治,(Eiji Nakatsu),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断推挤前面的空气，形成了一堵“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，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“穿透”隧道。为了获取灵感，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。,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,10%,，能效高出,15%,。,29,4.,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,费什,(Frank Fish),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,”,(tubercle effect),，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,31,5.,在水面行走的机器人,(,学习对象：蛇怪蜥蜴,),蛇怪蜥蜴,(basilisk lizard),常常被称为是“耶稣蜥蜴”,(Jesus Christ lizard),，这种称呼还是有一定道理的，因为它能在水上走。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,(Metin Sitti),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。,32,6.,太阳能电池板,(,学习对象：马勃菌,),橙黄色的马勃菌海绵,(puffball sponge),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,(Daniel Morse),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现在美国每家每户的屋顶上，微芯片只卖几美元的时候，千万不要忘了感谢让这一切成为现实的不起眼的马勃菌。,33,7.,多刃锯,(,学习对象：树蜂,),不要害怕树蜂屁股上两根像鞭子一样的大大的针状物。它们不是刺儿，而是,“钻头”,。树蜂利用这些针状物,(,有时比整个身体还长,),在树上钻洞，然后在里面“寄存”幼仔。多年来，生物学家一直不清楚树蜂“钻头”的用法。与需要外力的传统钻洞方法不同，树蜂可以从任何角度毫不费力地钻洞。经过几年的研究，科学家最终发现，树蜂的两根针状物可以深入木头，然后像,拉链一样锁起来锯东西,。,英国巴斯大学的天文学家认为，树蜂的“钻头”在太空大有用武之地。长久以来，科学家为了在火星上寻找生命，他们必须在火星表面凿洞。但是，在几乎没有重力的火星环境下，他们不清楚是否能找到可以在坚硬表面凿洞的压力。受树蜂的启发，研究人员设计出一种一侧有多余刀刃的锯子，让它们像树蜂的“钻头”一样互相推。从理论上讲，这套装置可以用于在无任何重力的流星的表面凿洞。,34,8