《仿生材料學(xué)基礎(chǔ)》課件 第五章 材料仿生設(shè)計方法

仿生材料學(xué)基礎(chǔ)材料學(xué)基礎(chǔ)復(fù)合材料基礎(chǔ)材料仿生設(shè)計實(shí)例

課程綱要

生物材料一二三四五4材料仿生設(shè)計方法

章節(jié)目錄

材料仿生設(shè)計基本理論5.1材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.45.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法

材料設(shè)計是材料科學(xué)中的一個新興分支，其內(nèi)容是應(yīng)用已有的知識與技術(shù)研制具有預(yù)期性能的新材料。它提出于50年代，從70年代末期開始有了迅速的發(fā)展，特別是近幾年來，已經(jīng)有了不少引人注目的成果，越來越受到研究人員的重視。

生物技術(shù)、信息技術(shù)和新材料的發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的三大支柱，其中新材料的發(fā)展是當(dāng)代髙新技術(shù)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代工業(yè)的基石，因此人們對材料的研究、開發(fā)和性能提出了越來越髙的要求。然而長期以來，材料研究主要采用“炒菜篩選法”或“試錯法”，這一般需要依賴大量的試驗(yàn)，造成人力、物力和資源的浪費(fèi)，設(shè)計周期也較長。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的試驗(yàn)設(shè)備和方法的出現(xiàn)以及固體理論、分子動力學(xué)和計算機(jī)模擬等技術(shù)的發(fā)展，為材料設(shè)計提供了理論依據(jù)和強(qiáng)有力的技術(shù)支持。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法一、材料設(shè)計的定義材料設(shè)計的設(shè)想始于20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家進(jìn)行了初期的研究，在理論上提出了人工半導(dǎo)體超晶格的概念。到1985年，日本學(xué)者山島良績正式提出了“材料設(shè)計學(xué)”這一專門的研究方向，將材料設(shè)計定義為利用現(xiàn)有的材料、科學(xué)知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過分析和綜合，創(chuàng)造出滿足特殊要求的新材料的一種活動過程，其目的是改進(jìn)已有的材料和創(chuàng)造新材料?，F(xiàn)在材料設(shè)計已基本上形成一套特殊的方法，就是根據(jù)性能要求確定設(shè)計目標(biāo)，有效地利用現(xiàn)有資源，通過成份、結(jié)構(gòu)、組織、合成和工藝過程的合理設(shè)計來制造材料。其中，關(guān)鍵是材料的成份、結(jié)構(gòu)和組織的設(shè)計。在柳田博明看來，材料設(shè)計應(yīng)包括兩層意思:①從指定的目標(biāo)出發(fā)規(guī)定材料性能，并提出合成手段；②為新材料開發(fā)和新效應(yīng)、新功能研究提供指導(dǎo)原理。以目標(biāo)性能為導(dǎo)向5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類按研究對象的空間尺度，目前材料的設(shè)計層次分為：①微觀設(shè)計層次設(shè)計，空間尺寸約為1nm量級，對應(yīng)原子電子層次的設(shè)計；②連續(xù)模型層次設(shè)計，空間尺寸約為1μm量級，將材料看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個原子電子的行為；③材料性能層次設(shè)計，尺度對應(yīng)于宏觀材料及大塊材料，涉及材料的加工和使用性能設(shè)計研究。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類電子、原子與分子層次對應(yīng)的空間尺度大致為10nm以下,所對應(yīng)的學(xué)科層次是量子化學(xué)、固體物理學(xué)等,該層次上常用的研究工具包括第一原理法、蒙特卡羅法與分子動力學(xué)法。連續(xù)模型對應(yīng)的空間尺度大致為um級到mm級，屬于材料科學(xué)的研究范圍，此時材料常被認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)，不用考慮材料中個別原子和分子，該層次研究的主要方法為有限元法。對于材料性能層次設(shè)計，涉及塊體材料在成形與使用中的行為表現(xiàn)，屬于材料工程甚至系統(tǒng)工程領(lǐng)域，采用的方法如工程模擬等技術(shù)。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類材料設(shè)計方法經(jīng)驗(yàn)法半經(jīng)驗(yàn)法第一原理法分子動力學(xué)法蒙特卡羅法有限元法材料設(shè)計專家系統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類第一原理法：材料是由許多緊密排列的原子構(gòu)成的，是一個復(fù)雜的多粒子體系。第一原理法就是把多粒子構(gòu)成的體系理解為由電子和原子核組成的多粒子系統(tǒng)，并根據(jù)量子力學(xué)的基本原理最大限度的對問題實(shí)現(xiàn)“非經(jīng)驗(yàn)性”處理。第一原理的出發(fā)點(diǎn)是求解多粒子系統(tǒng)的量子力學(xué)薛定諤方程，在實(shí)際求解該方程時采用兩個簡化:一是絕熱近似，即考慮電子運(yùn)動時原子核是處于它們的瞬時位罝上，而考慮原子核的運(yùn)動時不考慮電子密度分布的變化，將電子的量子行為與離子的經(jīng)典行為視為相對獨(dú)立;第二個假設(shè)是利用哈特利-福克自洽場近似將多電子的薛定諤方程簡化為單電子的有效勢方程。薛定諤方程是量子力學(xué)的基本方程，它揭示了微觀物理世界物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律?；诹孔恿W(xué)原理的計算方法，通過求解薛定諤方程來預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)。提供了對材料性質(zhì)的高精度預(yù)測，包括材料的能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度、力學(xué)性質(zhì)、磁性等。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類蒙特卡羅法(MonteCarlomethod)：是以概率與統(tǒng)計的理論、方法為基礎(chǔ)的一種計算方法，蒙特卡羅法將所需求解的問題同某個概率模型聯(lián)系在一起，在電子計算機(jī)上進(jìn)行隨機(jī)模擬，以獲得問題的近似解。因此，蒙特卡羅法又稱隨機(jī)模擬法或統(tǒng)計試驗(yàn)法。計算一個不規(guī)則圖形的面積，那么圖形的不規(guī)則程度和分析性計算（比如，積分）的復(fù)雜程度是成正比的。蒙特卡羅方法基于這樣的想法：假設(shè)你有一袋豆子，把豆子均勻地朝這個圖形上撒，然后數(shù)這個圖形之中有多少顆豆子，這個豆子的數(shù)目就是圖形的面積。當(dāng)你的豆子越小，撒的越多的時候，結(jié)果就越精確。借助計算機(jī)程序可以生成大量均勻分布坐標(biāo)點(diǎn)，然后統(tǒng)計出圖形內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，透過它們占總點(diǎn)數(shù)的比例和坐標(biāo)點(diǎn)生成范圍的面積就可以求出圖形面積。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類有限元法：是一種常規(guī)的數(shù)值解法，它是將連續(xù)介質(zhì)采用物理上的離散與片分多項(xiàng)式插值來形成一個統(tǒng)一的數(shù)值化方程。該方法實(shí)質(zhì)上是完成兩個轉(zhuǎn)變:從連續(xù)到離散和從解析到數(shù)值，因此可解決大多數(shù)力學(xué)問題、凝固模擬和晶體的塑性模擬等。有限元法由于是連續(xù)體的近似，它不能嚴(yán)格的包含單個晶格缺陷的真正動力學(xué)特性，而且在該尺度上大多數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象是髙度非線性的。因此，通常采用帶有固態(tài)變量的狀態(tài)量方法，該方法對于完成宏觀和介觀尺度上的模擬是非常有效的。將大型物理系統(tǒng)細(xì)分為更小、更簡單的部分5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.1材料設(shè)計方法二、材料設(shè)計方法的分類人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：材料設(shè)計涉及材料的組分、工藝、性能之間的關(guān)系，但這些內(nèi)在的規(guī)律往往不甚淸楚，難于建立起精確的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，能夠從已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)材料的組分、工藝和性能之間的規(guī)律，因此特別適用于材料設(shè)計，為材料的研究提供了一條有效的新途徑。它不需要預(yù)先知道輸入(材料的成分、工藝)和輸出(性能要求)間存在的某種內(nèi)在聯(lián)系，便可以進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，并達(dá)到預(yù)測的目的，這是材料設(shè)計中其它方法難以比擬的。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.2仿生設(shè)計方法一、形態(tài)仿生設(shè)計

形態(tài)仿生設(shè)計是人們在對自然生物體的外部形態(tài)的認(rèn)知基礎(chǔ)上，通過藝術(shù)手法將其應(yīng)用到設(shè)計中，滿足人類審美需求的表現(xiàn)。在設(shè)計的時候，我們先選擇適合產(chǎn)品定義的生物形態(tài)，然后通過提煉，轉(zhuǎn)化，最終運(yùn)用到設(shè)計中。是具象仿生還是抽象仿生由我們產(chǎn)品設(shè)計的要求而定。

仿生設(shè)計是一種物質(zhì)和精神層面的設(shè)計融合與創(chuàng)新，人們長時間對大自然生物進(jìn)行學(xué)習(xí)，積累經(jīng)驗(yàn)，對大自然的形態(tài)特征和功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級，運(yùn)用在工業(yè)產(chǎn)品中的方法。樹葉果盤5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.2仿生設(shè)計方法二、結(jié)構(gòu)功能仿生設(shè)計

生物結(jié)構(gòu)是經(jīng)過自然選擇與進(jìn)化的結(jié)果，具有重要的生命意義。結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計通過對自然生物功能結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，結(jié)合產(chǎn)品功能和概念進(jìn)行創(chuàng)新的方法。在生活中隨處可見，人們向自然學(xué)習(xí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的例子，大自然創(chuàng)造的功能結(jié)構(gòu)是我們進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計知識寶庫。荷葉表面微觀形貌5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.3材料仿生設(shè)計方法

仿生學(xué)就是以自然界生物體的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和特性為研究對象，將生物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換和信息過程應(yīng)用于技術(shù)革新。近年來，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展及現(xiàn)代技術(shù)尤其是微觀和宏觀技術(shù)的進(jìn)步，仿生學(xué)得到了飛速的發(fā)展，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的重視。

材料仿生設(shè)計是仿生學(xué)的一個重要分支，是研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)而利用現(xiàn)有的材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬，研制具有預(yù)期性能的新材料，屬于化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、工程力學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域。通常我們把仿照生命系統(tǒng)的運(yùn)行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計制造的人工材料成為仿生材料。5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.3材料仿生設(shè)計方法模仿生物體所進(jìn)行的某些系統(tǒng)的開發(fā),如超靈敏度機(jī)械量傳感器等材料仿生設(shè)計方法直接模仿生物體進(jìn)行材料制備與開發(fā)，如疏水防霧材料在模仿過程中受到啟發(fā),以所得到的結(jié)構(gòu)、化學(xué)等新概念,進(jìn)行新型合成材料的設(shè)計在生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析指導(dǎo)下,對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，如仿鯊魚皮的泳衣利用生物加工技術(shù)制備材料5.1材料仿生設(shè)計基本理論5.1.3材料仿生設(shè)計方法

對于材料仿生設(shè)計來說，同樣遵循仿生設(shè)計中的基本準(zhǔn)則，主要包括以下幾項(xiàng)準(zhǔn)則：①

目標(biāo)功能有效實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則：實(shí)現(xiàn)特定的功能是仿生設(shè)計的最終目標(biāo)，仿生設(shè)計過程中的一切技術(shù)手段和方法，實(shí)際上都是針對設(shè)計出的仿生系統(tǒng)的功能而進(jìn)行的。②權(quán)重準(zhǔn)則：不同的仿生因素對目標(biāo)功能有效實(shí)現(xiàn)的貢獻(xiàn)不同，有重輕之序。在仿生設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)權(quán)重次序，擬優(yōu)先考慮重要因素的設(shè)計方案，著重模擬對仿生功能有效實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)最大、起主要作用的因素，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行其他因素的構(gòu)建。③最優(yōu)化準(zhǔn)則：在仿生設(shè)計過程中，對所提取的仿生因素要進(jìn)行逐一的、全面的篩選與優(yōu)化，在仿生設(shè)計最后階段，應(yīng)對整個仿生設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)籌處理，實(shí)現(xiàn)仿生信息與仿生技術(shù)的有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)全域最優(yōu)化。5.1材料仿生設(shè)計基本理論作業(yè)：（1）材料仿生設(shè)計方法（2）材料設(shè)計方法的分類（3）仿生設(shè)計中的基本準(zhǔn)則5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計1.剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合

2.多尺度增效

3.多孔結(jié)構(gòu)

4.其它結(jié)構(gòu)

材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，以增強(qiáng)材料一種或多種性能為目的，選擇具有相關(guān)優(yōu)異性能的生物作為仿生對象，利用現(xiàn)有的不同材料制成仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料或者對現(xiàn)有材料進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)材料性能的增強(qiáng)。5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合自然界中有生物組織多是剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合，如貝殼、植物葉片、昆蟲翅膀等，它們通過剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合材料組合策略，使其展現(xiàn)出超強(qiáng)的生物功能。黃蜻翅膀由軟質(zhì)的翅膜和硬質(zhì)的翅脈兩部分組成，翅膜通過包裹方式與翅脈連接，形成剛?cè)峤Y(jié)合的有機(jī)整體，如圖所示。翅脈縱橫分布，圍成封閉的翅室，翅室中布滿翅膜以阻礙氣流的通過。其中翅脈起到支撐和強(qiáng)化作用，阻礙裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)翅膀的疲勞強(qiáng)度。翅膜極薄且柔韌，可承受作用于翼上的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。脈翅整體形成剛?cè)徇m宜、輕質(zhì)高強(qiáng)、形態(tài)優(yōu)化的網(wǎng)格狀剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)。黃蜻翅膀5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合

植物葉片長期暴露在自然環(huán)境中，經(jīng)常遭受狂風(fēng)暴雨等外界載荷的侵襲，仍能保持自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性，這與植物葉片的生物耦合功能密切相關(guān)。植物葉片由硬質(zhì)的維管束“葉脈”和軟質(zhì)的“葉肉”組成，如圖所示，兩者采用一定的剛?cè)崞ヅ溥B接，有效地減小了葉片的應(yīng)力集中和裂紋的萌生。葉片的止裂原理與昆蟲翅膀和貝殼相似，裂紋在葉脈與葉肉的交界面會發(fā)生阻滯或偏轉(zhuǎn),能夠有效抵御自然環(huán)境作用下的疲勞開裂。楊樹葉及其“硬質(zhì)”葉脈分布5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合

貝殼是軟體動物綜合自身有機(jī)物和周圍環(huán)境無機(jī)物而生成的天然陶瓷復(fù)合材料，其種類繁多、形態(tài)各異，但化學(xué)成分相似，均由95%的無機(jī)碳酸鈣材料和少量的有機(jī)蛋白質(zhì)組成。但相比單相碳酸鈣陶瓷來說，貝殼不僅具備較高的強(qiáng)度，而且韌性遠(yuǎn)高出單相碳酸鈣陶瓷2~3個數(shù)量級。經(jīng)分析，貝殼由外向內(nèi)依次為角質(zhì)層、棱柱層和珍珠層。而且在珍珠層內(nèi)的文石晶體以一種平行層狀交錯堆疊的形式組裝在一起，即典型的“磚-泥”結(jié)構(gòu)，如圖所示。當(dāng)受一定的外力沖擊時，表層晶片出現(xiàn)的裂紋不會擴(kuò)展到其他晶片層中，在延伸到層間結(jié)合的有機(jī)質(zhì)處就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而展現(xiàn)出良好的斷裂韌性和抗沖擊性。鮑魚殼珍珠層“磚泥”結(jié)構(gòu)5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合

螳螂蝦在攻擊目標(biāo)時，其前肢瞬時速度可達(dá)23m/s，沖擊力高達(dá)700N。其前肢在抵抗數(shù)千次重復(fù)動態(tài)撞擊后，仍能保持材料完整性，而不會產(chǎn)生災(zāi)難性的失效。要做到這一點(diǎn)，材料必須堅而韌，能夠提供足夠的強(qiáng)度和韌性在破壞獵物的礦化外殼的同時，抵御等量的反向撞擊力。研究人員在其前肢的中表層位置發(fā)現(xiàn)軟質(zhì)幾丁質(zhì)纖維在硬質(zhì)礦物基質(zhì)中自下而上呈現(xiàn)“剛?cè)帷瘪詈下菪帕械慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖所示。類似結(jié)構(gòu)也存在于龍蝦和螃蟹的前肢結(jié)構(gòu)中。這種自下而上的螺旋排列結(jié)構(gòu)為生物復(fù)合材料提供了兩種獨(dú)特的機(jī)械特性：（1）具有高強(qiáng)度的組成材料賦予材料高的機(jī)械性能；（2）螺旋結(jié)構(gòu)吸收沖擊能量，提高材料斷裂韌性。螳螂蝦前肢的自下而上的螺旋結(jié)構(gòu)5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1剛?cè)岙愘|(zhì)材料耦合

巨骨舌魚（Arapaimagigas）為抵抗捕食者（例如食人魚等）的攻擊，進(jìn)化出了類似的層級螺旋結(jié)構(gòu)，如圖所示。整體魚身表面鱗片的相互覆蓋，除提供靈活性的同時，遭受攻擊時鄰近鱗片相互作用產(chǎn)生一定的的彎曲程度，利于能量耗散。就單個鱗片而言，在厚度方向上，由上到下分為礦化層（厚度約為0.5mm）和膠原層（厚度約為1mm），高度礦化的外殼最大限度地減少局部可塑性，提供了硬度。膠原層為層狀材料，每層厚度約為50μm，層狀結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于層內(nèi)礦化膠原纖維平行排列，羥基磷灰石礦物納米晶體嵌入其中，相鄰層的纖維產(chǎn)生錯位旋轉(zhuǎn)，形成自下而上的螺旋排列結(jié)構(gòu)，提供一定的強(qiáng)度的同時也提供一定韌性，促使捕食者牙齒在穿透鱗片后發(fā)生斷裂。5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.2多尺度增效

天然生物材料經(jīng)過數(shù)億年的進(jìn)化，形成了環(huán)境與功能需求相適應(yīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出傳統(tǒng)人工合成材料無法比擬的優(yōu)異性能。近些年來，人們發(fā)現(xiàn)許多生物材料具有納米到宏觀的多尺度、層級結(jié)構(gòu)，它具有高損傷容限和能量吸收的特點(diǎn)，這為人類開發(fā)新型仿生材料帶來無限的啟發(fā)和靈感。例如骨骼作為生物結(jié)構(gòu)材料，不僅需要具有高的強(qiáng)度以承受自重和外力，同時需具備較好的韌性防止骨折的發(fā)生。5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1多尺度增效

研究發(fā)現(xiàn)，骨組織材料是一種具有層級有序結(jié)構(gòu)的生物復(fù)合材料，如圖所示。首先，I型膠原分子（長約為300nm，直徑約為1.5nm）和羥基磷灰石納米晶體（板狀，長×寬約為50nm×25nm，厚度為1.5-4nm）通過有機(jī)相連接形成原纖維陣列，羥基磷灰石納米晶體平行于膠原原纖維，并沿著原纖維周期性交錯排列；然后，原纖維陣列通過不同方式（平行、螺旋等）編制在一起形成纖維束，層狀的螺旋排列纖維束與血管通道組成骨單元，由外至內(nèi)纖維束交錯排列；最后，由無數(shù)個骨單元組合形成密質(zhì)骨/疏質(zhì)骨。材料本身的機(jī)械特性（膠原蛋白提供彈性，羥基磷灰石提供剛性）以及多尺度層級結(jié)構(gòu)設(shè)計共同賦予了骨組織材料高的強(qiáng)度與韌性。骨骼的層級多尺度結(jié)構(gòu)5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1多尺度增效

又如，樹木與竹子是植物中典型高強(qiáng)高韌生物復(fù)合材料，兩者均是集成高比強(qiáng)度、比剛度與韌性等優(yōu)異性能于一體的天然復(fù)合材料。從宏觀上看，木材主要由平行的空心管、木材細(xì)胞組成，且因生長過程中季節(jié)氣候的明顯更迭產(chǎn)生名為“年輪”的輪狀結(jié)構(gòu)，年輪結(jié)構(gòu)中靠近髓心的內(nèi)側(cè)為早材，面向樹皮的為晚材；而從微觀視角進(jìn)行觀察，細(xì)胞壁是木材實(shí)際承載組織，可視為以纖維素作為增強(qiáng)相、木質(zhì)素和半纖維素為基質(zhì)的復(fù)合材料，此外，內(nèi)部還含有果膠、色素和蛋白質(zhì)等有機(jī)成分和鉀、鈉、鈣、磷和鎂等無機(jī)鹽成分。研究發(fā)現(xiàn)，兩者的細(xì)胞壁均為一種多尺度層級結(jié)構(gòu)，如圖5-7，由外到內(nèi)分別為初生壁、次生壁外層（S1）、次生壁中層（S2）及次生壁內(nèi)層（S3）4個副層。5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1多孔結(jié)構(gòu)

自然界中常見的多孔結(jié)構(gòu)有管狀和蜂窩形結(jié)構(gòu)兩種。許多植物，如馬尾草、蒲菜等，其莖呈現(xiàn)中空狀態(tài)，內(nèi)部有許多多通道微米管，使其在保證足夠的強(qiáng)度的同時，兼具材料節(jié)約和營養(yǎng)輸送的功能。例如，馬尾植物莖部含有中空的多胞結(jié)構(gòu)，如圖所示，在向頂端輸送營養(yǎng)的同時，能夠承受風(fēng)、雨等側(cè)向載荷。因此，以馬尾草作為仿生模本，Yin等設(shè)計出六種具有不同橫截面構(gòu)型的馬尾多胞管，并利用有限元評估其在橫向加載條件下仿馬尾多胞管的耐撞性能，結(jié)果表明，與圓管和方管相比，仿馬尾多胞管在橫向載荷方向具有較好的耐撞性(A)馬尾草莖;(B)橫向載荷下的仿馬尾結(jié)構(gòu),(C)泡沫仿馬尾結(jié)構(gòu)5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1多孔結(jié)構(gòu)

另外，很多鳥類和哺乳動物由于保持體溫恒定的需要，都進(jìn)化出具有很好的保暖性能的羽毛或皮毛，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其羽毛或皮毛具有多通道管狀結(jié)構(gòu)。例如生活在極地的北極熊為了適應(yīng)極地嚴(yán)寒的環(huán)境，經(jīng)過不斷的進(jìn)化，形成了具有特殊結(jié)構(gòu)的毛發(fā)。通過電子顯微鏡觀察北極熊毛，可以發(fā)現(xiàn)它具有透明的中空多孔結(jié)構(gòu)（如圖），中空的毛發(fā)通過反射和散射可見光，將溫暖的陽光傳輸?shù)胶谏钠つw上使得它具有極好的紅外吸收能力，起到保溫、絕熱的作用,進(jìn)而抵御北極的嚴(yán)寒北極熊及其具有管狀中空微結(jié)構(gòu)的毛發(fā)顯微截面圖5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1多孔結(jié)構(gòu)

鳥類的喙作用主要用于捕食、梳理羽毛、筑巢、爭斗等，捕食的過程中喙會起到撕咬、叼住的作用，因此鳥喙通常有一定的強(qiáng)度和硬度，并且為了更利于飛行，輕質(zhì)量也是必須考慮的因素。經(jīng)過近億年的進(jìn)化，逐漸形成了蜂窩型的鳥喙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠減少組成材料的脆性，降低鳥喙整體的質(zhì)量，并且對于一些類似啄木鳥這種特殊的鳥類，蜂窩型多孔結(jié)構(gòu)還可以起到減震的作用。例如，巨嘴鳥（的鳥喙是一種類似于三明治的結(jié)構(gòu)，如圖所示，其外殼是由多層的角質(zhì)鱗片組成，其厚度為0.5mm到0.75mm不等，每個鱗片為厚度為2~10um，長2~10um的正六邊形，鱗片間相互重疊。其內(nèi)部是多孔泡沫型結(jié)構(gòu)，且大部分的蜂窩結(jié)構(gòu)被2~25μm的有機(jī)薄壁包覆形成一個類似封閉單元的結(jié)構(gòu)。巨嘴鳥喙的微觀圖像，外層為角質(zhì)鱗片及內(nèi)部為蜂窩型結(jié)構(gòu)5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1其它結(jié)構(gòu)

除上述提及的生物結(jié)構(gòu)外，還有很多特殊結(jié)構(gòu)，如縫合結(jié)構(gòu)、重疊結(jié)構(gòu)及梯度分布等?？p合結(jié)構(gòu)是在各種板塊、鱗片和骨骼中發(fā)現(xiàn)的波浪形或交錯的界面,一般由兩個部分組成：剛性縫合齒和順應(yīng)性界面。它們經(jīng)常出現(xiàn)在需要控制材料界面的內(nèi)在強(qiáng)度和靈活性的區(qū)域。縫合線作為微觀結(jié)構(gòu)的界面元素出現(xiàn)在生物材料中，例如，紅耳滑龜和棱皮龜?shù)募讱?、哺乳動物的頭骨（如白尾鹿）和三刺魚的骨盆等?？p合結(jié)構(gòu)示意圖及不同生物內(nèi)的縫合結(jié)構(gòu)5.2材料增強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1其它結(jié)構(gòu)

重疊結(jié)構(gòu)是由一些單獨(dú)的板塊或鱗片組成，它們可以相互滑動或移動，形成一個靈活的保護(hù)面，常作為宏觀結(jié)構(gòu)元素出現(xiàn)。具體例子包括海馬尾巴、鯊魚鱗片、石鱉外骨骼、千足蟲外骨骼、犰狳體表鱗片等。從機(jī)械上講，重疊結(jié)構(gòu)能夠確保連續(xù)的覆蓋，同時允許有靈活性。重疊結(jié)構(gòu)示意圖及不同生物內(nèi)的重疊結(jié)構(gòu)5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

中國科學(xué)院院士任露泉教授在《耦合仿生學(xué)》一書中，對生物功能進(jìn)行了定義。生物功能是指生物體、生物群/落（植物、動物、微生物）在生命過程中所呈現(xiàn)的某種（些）有利于其生存與發(fā)展的能力或作用。并將生物功能分為生物學(xué)功能和工程學(xué)功能，其中生物學(xué)功能包括生物的光合作用、新陳代謝、自組織、自修復(fù)等，而工程學(xué)功能具體表現(xiàn)為變色、變形、超敏感知、自潔、減阻等。生物功能是生物的屬性，是生物與其生存環(huán)境在相互作用過程中所表現(xiàn)出的本領(lǐng)，是生存與適應(yīng)能力的具體表現(xiàn)。1.植物的被動變形

2.動物的體表感受器

5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.1植物的被動變形-纖維素纖維取向

松塔鱗片由交叉90°纖維素纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料雙層結(jié)構(gòu)組成組成。一層復(fù)合材料允許縱向膨脹和收縮，另一層使縱向變化受到限制。因此，在互相競爭的應(yīng)力作用下，松塔鱗片根據(jù)環(huán)境中濕度變化引起木質(zhì)素基質(zhì)膨脹，產(chǎn)生可逆的彎曲，如圖a-c所示，實(shí)現(xiàn)鱗片的打開和閉合。洋紫荊的豆莢采用爆裂方式將種子彈出，完成播種行為，如圖d-f所示。豆莢在失水干燥過程中，豆莢瓣收縮產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)積聚的應(yīng)力突破兩豆莢瓣間最大聯(lián)接強(qiáng)度時，產(chǎn)生突然的爆裂，將豆子彈出。豆莢瓣是由雙層組織構(gòu)成的，每一層由基質(zhì)材料和定向的纖維組成，纖維與豆莢長度方向呈大約45°角。豆莢的兩瓣纖維方向相反，產(chǎn)生相向的扭轉(zhuǎn)，最終突破連接極限導(dǎo)致爆裂，將種子彈出。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.1植物的被動變形-纖維素纖維取向

研究表明，牻牛兒苗種子芒部管狀細(xì)胞的細(xì)胞壁背側(cè)與腹側(cè)的纖維素原纖維的取向不同，如圖。芒部內(nèi)側(cè)纖維素原纖維的取向角度為80.06±6.53?，幾乎垂直于細(xì)胞長軸方向；外側(cè)纖維素原纖維的取向角度為45.46±5.48?，與細(xì)胞長軸方向傾斜，如圖所示。因此，內(nèi)外兩側(cè)不同的原纖維排列取向角度，致使細(xì)胞干燥狀態(tài)下內(nèi)外兩側(cè)呈現(xiàn)各向異性收縮，進(jìn)而產(chǎn)生螺旋推進(jìn)的行為。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.1植物的被動變形-組織密度及細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計“復(fù)活草”——在非洲撒哈拉沙漠深處,生命力極強(qiáng)的草。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.1植物的被動變形-組織密度及細(xì)胞結(jié)構(gòu)設(shè)計“復(fù)活草”——在非洲撒哈拉沙漠深處,生命力極強(qiáng)的草。干旱時-萎縮彎曲成一堆像干柴一樣的球,隨風(fēng)滾動；遇到水源,它就迅速生根,經(jīng)過雨水的滋潤,幾個小時內(nèi)迅速長出幼苗,再經(jīng)過幾個星期,就長成了一株復(fù)活草。組織密度、細(xì)胞取向和二次細(xì)胞壁組成在軸向和近側(cè)莖側(cè)之間的橫截面梯度相關(guān)，如圖所示。在內(nèi)莖中，細(xì)胞壁厚度和組成的縱向梯度影響著莖尖到基部的組織膨脹和收縮，允許比外莖更復(fù)雜的卷曲。在風(fēng)力的作用下實(shí)現(xiàn)滾動，使復(fù)活草滾動，遇到水源后“復(fù)活”。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.1植物的被動變形

許多菊科植物，如蒲公英，有毛茸茸的冠毛，可以根據(jù)濕度水平關(guān)閉以改變散布。MadeleineSeale等發(fā)現(xiàn)冠毛的變形依賴于脈管系統(tǒng)和圍繞中心空腔、徑向排列的周圍組織，水化作用下以徑向?qū)ΨQ的方式進(jìn)行異質(zhì)膨脹，如圖所示，以協(xié)調(diào)連接在上側(cè)的毛發(fā)的運(yùn)動。這種致動器是雙層結(jié)構(gòu)的衍生物，它是徑向的，可以使平面或側(cè)向附著的運(yùn)動同步。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.22.動物的體表感受器

從信息控制系統(tǒng)的角度分析，自然界中的生命體都是由感知（激勵）—控制（決策）—反應(yīng)（運(yùn)動、執(zhí)行）三部分組成的生命自動控制系統(tǒng)。其中，感知是生命系統(tǒng)信息獲取的基礎(chǔ)，是機(jī)體對外部和內(nèi)部刺激做出精確分析和應(yīng)激響應(yīng)的先決條件，由生物感受器執(zhí)行完成，它是生物在復(fù)雜、殘酷環(huán)境中生存下來的重要依賴。根據(jù)分布部位和接受刺激的來源不同，生物感受器又被分為內(nèi)感受器、本體感受器和外感受器。一般外感受器也稱為生物體表感受器，分布在人和動物的皮膚和體表。它能夠高效感知外部機(jī)械量、光、熱、化學(xué)等刺激信號，并將其高效轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動作電位。在這里我們將著重介紹易被工程轉(zhuǎn)化的生物機(jī)械量感受器，如聲波感受器、微流量感受器、觸覺感受器及微振動感受器。這些機(jī)感受器經(jīng)過億萬年的優(yōu)勢進(jìn)化，早已獲得了高精度、超靈敏、微尺度、低功耗等優(yōu)異特性的集成。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.22.動物的體表感受器

以聲波感受器為例，D.Robert等發(fā)現(xiàn)奧米亞棕蠅的聽覺器官位于頭部下方和兩只前腿的基節(jié)之間，由一對對稱布置在前胸腹板上的兩側(cè)鼓膜組成，如圖所示，兩鼓膜的距離僅為1.5mm，聲音分別到達(dá)兩側(cè)耳膜之間時差不到2μs,奧米亞棕蠅憑借這種雙耳角質(zhì)皮膜結(jié)構(gòu)的機(jī)械耦合放大效應(yīng)，能夠?qū)ν饨缛肷渎曉吹姆轿蛔鞒鰷?zhǔn)確的判斷。奧米亞棕蠅聲波感受器結(jié)構(gòu)5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.22.動物的體表感受器

就流量感受器而言，自然界中的節(jié)肢動物（蟋蟀尾巴上的絲狀毛、蜘蛛運(yùn)動足上的蠱毛、以及蝎子螯肢上的蠱毛），為了能夠感知天敵或者捕食對象活動而引起的周圍空氣擾動，進(jìn)化出了極其靈敏的流量感受器，如圖5-19所示。上述流量感受器都是由外骨骼碗狀結(jié)構(gòu)的毛窩和伸出于毛窩外的毛桿組成，毛桿如同一根懸掛空氣中的懸臂梁，毛桿底部在毛窩內(nèi)與神經(jīng)元樹突末端相連，神經(jīng)元的功能是將外部流量信號轉(zhuǎn)化為生物電信號。毛桿極大的縱深比為流量感受器的超靈敏、高精度性能提供了結(jié)構(gòu)保證。當(dāng)有氣流作用在毛桿上時，毛桿會隨氣流擺動并通過與毛桿底部相連的神經(jīng)元將機(jī)械量信號轉(zhuǎn)化為生物電信號。相關(guān)研究表明,使得毛桿在毛窩內(nèi)擺動且引起相應(yīng)神經(jīng)元產(chǎn)生電信號的最小機(jī)械能為10-21J。5.3材料功能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.22.動物的體表感受器

除上述不同類型機(jī)械量感受器外，還有微振動感受器。關(guān)于振動感受器的研究主要集中在蜘蛛、蝎子兩種蛛形綱生物上，其微振動感受器都是由長度不同的縫感知單元組成，如圖所示。Barth等對蜘蛛微振動感受器縫單元的長度、排布規(guī)律進(jìn)行了研究，并對縫感受器在感知過程中的受力情況進(jìn)行了有限元模擬?？p感知單元在外部振動信號作用下會發(fā)生形變，相連的感知神經(jīng)元將這種形變轉(zhuǎn)化為了生物電信號。P.mesaensis蝎的振動感受器由呈扇形排布且長度不同的縫單元組成，分布在八條運(yùn)動跖骨關(guān)節(jié)的末端。能夠靈敏地感知、定位周圍幾十厘米范圍內(nèi)由生物運(yùn)動引起的沙粒擾動，同時也能夠靈敏地檢測到作用于其跗骨末梢振幅為10nm的微振動信號。5.4材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計：以材料表面實(shí)現(xiàn)一種或多種性能為目的，選擇具有相關(guān)性能的生物作為仿生對象，利用現(xiàn)有的加工工藝對材料進(jìn)行加工或者利用化學(xué)合成等方法在材料表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得材料表面具有相應(yīng)的性能。1.超疏水自潔功能

2.方向性集水

3.結(jié)構(gòu)色

4.減阻

5.4材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4.1超疏水自潔功能

荷葉表面由許多乳突構(gòu)成，表現(xiàn)出凹凸不平的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，并且粗糙結(jié)構(gòu)的表面覆蓋有類蠟質(zhì)晶體,二者協(xié)同作用,使得荷葉表面呈現(xiàn)明顯的疏水性,水滴在這種表面上具有較大的接觸角，可有效阻止荷葉被潤濕；水在荷葉上能形成水珠，實(shí)現(xiàn)對沾染物的潤濕和粘附，表現(xiàn)出自潔功能，如圖所示。荷葉超疏水自潔功能及其表面微觀結(jié)構(gòu)5.4材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4.1超疏水自潔功能

研究人員還發(fā)現(xiàn)蓮花種子莢表面同樣表現(xiàn)出超疏水自清潔特性,其水滴接觸角達(dá)153.90+2.7°。水滴可以在荷葉表面和蓮花種子莢表面沿著任何方向自由滾動。同樣的超疏水表面特征出現(xiàn)在槐葉萍表面，經(jīng)掃描電鏡觀測可以發(fā)現(xiàn)槐葉萍表面存在高度約為2mm類打蛋器狀的微觀結(jié)構(gòu)，如圖所示?；比~萍表面超疏水表面及類打蛋器狀微結(jié)構(gòu)5.4材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4.1超疏水自潔功能

以上植物表面的潤濕特性表現(xiàn)的為各向同性，而各向異性的潤濕特性表現(xiàn)為在不同方向上具有不同的滾落行為。例如，對于蝴蝶來說，水滴容易沿蝴蝶身體中心軸的外輻射方向（RO）方向移動，相反方向則被緊緊固定住。經(jīng)電鏡掃描觀測到蝴蝶翅膀表面存在大量的長度約150um、寬度約70um方形鱗屑，鱗屑間相互重疊，如圖所示，進(jìn)一步放大觀察，可以發(fā)現(xiàn)其上方分散眾多由長度明顯不同的多層表皮薄片組成的脊?fàn)罴y蝴蝶翅膀的方向性粘附特性5.4材料表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4.2方向性集水

自然系統(tǒng)中還有很多生物體表面具有水滴定向運(yùn)輸?shù)奶匦裕渲饕蕾囉诒砻婺艿奶荻群蚅aplace壓力梯度作為驅(qū)動力，一方面源自表面化學(xué)組成的不同或表面粗糙度的不同的表面能梯度,驅(qū)動水滴朝具有更高表面能的更潤濕區(qū)域移動；另一方面生物獨(dú)特微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Laplace壓力差令微米級水滴發(fā)生移動。例如,蜘蛛絲由濕敏親水鞭毛蛋白組成。將干燥蜘蛛絲置于霧中，小水滴在鏈接結(jié)構(gòu)和紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)上隨機(jī)凝結(jié)。隨水凝結(jié)進(jìn)行，水滴尺寸變大，鏈接結(jié)構(gòu)