仿生材料课件

神奇的仿生材料,报告人：毛鲲学号：1500931136课堂号码：95号日期：2015年12月3日,神奇的仿生世界,模仿水母的水下微型机器,电子眼,电子皮肤,仿生牙齿,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。它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出来的新型材料。,一、何为仿生材料,菲尔普斯与鲨鱼皮,为什么仿生是可行的？,仿生鱼,仿生操作手臂,生物经过长时间的动力学自组装过程，各个组分之间按照最佳的结构和组合方式组装，最终形成特有的复合结构来适应复杂多变的环境要求。某种意义上来说自组装产物的缺陷程度最低，结构和功能达到了理想状态。科学家已经从纳米层面系统的分析与研究生物体外形、结构、力学功能，可以作为工程设计的依据，为仿生设计出高性能材料提供理论支撑。,二、仿生材料的研究现状,1、力学功能仿生,20世纪末，美国生物学家安妮穆尔发现，黑寡妇的蜘蛛丝有很高的断裂强度。后来加拿大科学家通过山羊产出的蛛丝蛋白制作出可降解的生物钢，其强度是钢的十倍，用蛛丝纤维制作的布料其强度是防弹衣的十几倍。,天然纤维是优良的材料,通过对天然纤维形态结构的研究发现，纤维素为线型高聚物，它的大分子之间不仅有范德华力的相互作用，还有使分子平型排列紧密结合的氢键的作用。纤维素分子之间排列整齐紧密程度与纤维的强度呈线性关系，从表1中可以看出这几种天然纤维虽然密度比较小但是都具有较高的比强度和拉伸模量。,2、力学结构仿生,复合结构材料的优异性能往往超越单一结构材料，其中贝壳的珍珠层是由片状文石交错排列成层，单个文石之间用机质填充。图中贝壳的断裂方向垂直于片状文石层时有机体起到了缓冲减压的作用，增大了文石层间的相互作用力，拔出文石晶片所做的功得到提高，导致部分沿文石片边缘断裂变为穿过文石片断裂，并改变应力的单一方向，产生多方向的转变，应力的不断偏转改变使裂纹路径增加，阻力相应增大。贝壳的这一复合结构使其具有了优异的力学性能，贝壳的韧性是文石的1000倍硬度是文石的2倍，是普通碳酸钙材料的3000倍。故新时代的建筑可以得到很好的加固。,3、仿生多孔材料,多孔材料具有比强度高、比面积高、密度小等特点。可以通过水热合成，压缩烧结等方法制作而成。天然多孔材料孔道结构的排列及规则程度差异很大。海胆刺是一种多孔材料，生物的这种孔道结构与物质的传输有关联，海胆的这种三维多孔结构能减轻自身的重量，并且具有优良的力学功能。海胆是生存4.5亿年的古老生物分布十分广泛从海岸边甚至5000的深海能抗击巨大海水的能量。故我们应用这一仿生技术，可以建造坚不可摧的建筑。,4、仿生太阳能电池,植物的叶绿体能通过光合作用将太阳能转化为化学能。美国普渡大学科学家利用纳米碳管和等材料，仿生研制出具有自我修复能力的太阳能电池，这种电池中被破坏的染料可以不断得到更新，具有自我修复的能力。从而使用的年限大幅提高15年。我国科学家根据叶绿体的功能研制出新型的染料敏化太阳能电池，能直接将11的太阳能转化成电能，成本较低，使用寿命较长。而且随着环保意识的增强，有很强的市场竞争力。基于这些优点，今后将有更多的仿生太阳能电池被研发。,5、仿生传感器,仿生传感器的研发一直是研究热点，研究的范围越来越广泛。有视觉传感器、嗅觉传感器、触觉传感器等。我国科学家用纳米材料制作出仿生电子皮肤，原理是将灵敏度高的导电纳米材料与微纳米结构柔性基底有效结合，导电材料在受到微小压力时能发生电信号的变化，把压力转换成可以识别的信号。这种仿生触觉传感的电子皮肤，能准确感知并获取微小压力变化的人体电流信号对人体的生理状态进行及时检测，之后进行逻辑思考并相应调节控制。,1、由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。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。2、从萤火虫到人工冷光；3、电鱼与伏特电池4、水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪。5、人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。,三、大自然给我们的礼物,6、根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。7、模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。8、根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器步行机。9、现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。10、屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。,11、船桨模仿的是鱼的鳍。12、锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。13、苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。14、嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。15、壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。16、贝壳用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。,四、仿生科学的应用前景,仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。”,仿生骨1960年以後，研究家已经发现有一种蛋白质能够促使骨头纤维重新长回自己的部位或受损的地方。很不幸地，这科技不完整，常常会长出不该长的纤维会错误的骨头。2005年，UCLA的研究家解决了这问题，用特定的蛋白质来长出特定的细胞。这叫UCB-1，这蛋白质已经被用於骨头重生来固定椎骨，舒缓患者的背痛。,非人类味觉奥斯丁的德州大学的电脑与电子工程教授，Dean说，舌头可以是非常强大的工具，也可以是非常主观的。当食物公司想要做同样的口味时，他们会用电子舌头，由他的团队研发的器材，能够侦测液体里的化学成分。,人造细胞有时候，当你需要把药物送到身体里对的地方，药丸或注射已经不够了。宾夕法尼亚大学的生物工程教授，DanielHammer说有更好的方法，人造细胞，用聚和体制造，能够模仿白血球在血管里的行为。叫做c，这些假细胞能够把药物传递到需要的地方，这能够更简单并安全地击退一些疾病，像癌症。,大脑里的义肢替换大脑的一个部位比替换四肢还要难，不过未来有可能可以。南加州大学的教授，TheodoreBerger做出能够取代海马区的电脑晶片，代替人脑处理短期记忆与空间学习的部分。,仿生技术的出现为我们的研究提供了一种新的思路，为设计