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智能仿生材料

Greenpine
2010-05-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《智能仿生材料pdf》,可适用于人文社科领域

智能仿生材料Biomimeticmaterialswithsmartness☺☺张青松(天津工业大学)张青松(天津工业大学)::zqscomzqscom��::April,URED型大面积紫外光刻机技术特点:◆采用W直流高压汞灯◆采用蝇眼透镜实现高均匀照明◆实现超大面积光刻◆采用CCD自动对准自动化程度高中国科学院光电技术研究所大自然的多样性大自然的多样性HowcanwelearnfromnatureWhyneedtobiosimulationSystematicbiomimeticapproachHowtousebionicsThevalueofbionics“经过数十亿年的进化和自然选择自然界的生物为人类的创新提供了天然的宝库!”人的创造欲是科技创新的根本动力自然和社会是我们认知和创新服务的对象也是我们学习的最好老师。“鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年的进化为了攫取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群活动等生存需要发展了各具特色的在水中游动和空中飞行的非凡能力其整体功能渐趋优化为当前的人造航行器和飞行器望尘莫及。例如昆虫的物种多达万种平均体长~mm带翅可飞的占其飞行性能更为高超可悬停并有惊人的机动能力例如苍蝇可以在秒的量级内做度转向。因此当前仿生研究和技术在国际上受到高度重视。”童秉纲陆夕云路甬祥路甬祥将生物亿年进化的结果作为发明的参考将亿年演化形成的生物多样性作为技术方案选择的宝库将亿年演化形成的脑与神经系统结构与功能作为认知研究和智能机器的最好示范将亿年演化形成的生命现象中的精妙和多样的微结构和微系统作为微、纳米结构和微系统技术的极好参照将亿年形成的生物在复杂环境中感知、判断、捕食、伪装、轨避能力和适应机制作为传感、判断、控制、隐身、环境适应等技术的最好学习对象。仿生学的意义年秋人教版五年制小学语文第册上蝙蝠和雷达“回声定位”声纳系统Whymimicnature猪笼草捕蝇草球子蕨Nasticstructures–plantsasamimickingmodel翅痣翅痣颤振颤振飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止颤振海豚的启示大型海洋动物皮肤的减阻仿生鲨鱼泳衣鲨鱼外壳在飞机初步实验成果™RibletsdevelopedtoreducedraginaircraftaresimilartothosefoundinsharkskinBenchert等的飞机减阻实验验证了减阻的可能效果并初略计算出由此产生巨大的经济效应:的减阻→油耗→节省操作费用而且省下的吨油的载重可以多运送15名乘客→多赚的利润→每年每机可多挣100万美元.早期的老爷车现代轿车HighfuelefficiencyconceptvehiclebasedonthebodyshapeofBoxfishBioniccar,percentlowerfuelconsumptionanduptopercentlowernitrogenoxideemissions热带产的一种硬鳞鱼SmartToysOutline()仿生学()仿生学研究方法()仿生在工程技术中的应用()仿生在纺织中的应用()仿生和智能材料仿生学之起源中国古汉文中的仿生思想一、仿生学简介象象形形((具体具体))仓颉造字《说文解字序》“倉頡之初作書蓋依類象形故謂之文其後形聲相益即謂之字。”人类最初使用的工具木棒和石斧无疑是使用的天然木棒和天然石块骨针的使用无疑是鱼刺的模仿……所有这些工具的创造、生活方式的选择都是对自然中存在的物质及某种构成方式的直接模拟是人类初级创造阶段也可以说是仿生设计的起源和雏形它们虽然是比较粗糙的、表面的但却是我们今天得以发展的基础。在公元前三千多年我们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢以防御猛兽的伤害四千多年前我们的祖先“见飞蓬转而知为车”即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子做有装成轮子的车。古代庙宇中大殿之前的山门的建造像大象的架势柱子又圆又粗像大象的腿。两千多年前中国人民就发明了风筝并且应用于军事联络。春秋战国时代鲁国匠人鲁班(公输般)首先开始研制能飞的木鸟,并从一种能划破皮肤的带齿的草叶得到启示而发明了锯子。仿生学的诞生年左右英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利模仿鳟鱼和山鹬的纺锤形找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线对航空技术的诞生起了很大的促进作用。从s以来人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。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。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。作为一门独立的学科仿生学正式诞生于年月。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗?”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。从生物学的角度来说仿生学属于“应用生物学”的一个分支从工程技术方面来看仿生学根据对生物系统的研究为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统为人类造福。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等许多方面表现出的各种优异的特性并把它们应用到技术系统改善已有的技术工程设备并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。仿生学(Bionics)的定义维基百科(Wikipedia)Bionics(alsoknownasbiomimetics,biognosis,biomimicry,orbionicalcreativityengineering)istheapplicationofbiologicalmethodsandsystemsfoundinnaturetothestudyanddesignofengineeringsystemsandmoderntechnologyTheword"bionic"wascoinedbyJackESteelein,possiblyoriginatingfromtheGreekword"βίον",pronounced"bion",meaning"unitoflife"andthesuffixic,meaning"like"or"inthemannerof",hence"likelife"Somedictionaries,however,explainthewordasbeingformedfrom"biology""electronics"美国百科全书USHistoryEncyclopediaBionics,broadlydefined,istheapplicationoftheunderstandingofbiologicalfunctionstosolvingengineeringproblemsStudiesofhowbirdsfly,forexample,havebeenusedtodesignaircraftResearchinbionicsledtothedevelopmentoffunctionalaidsforhumans¾根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星¾根据空气动力学原理仿照鸭子头形状而设计的高速列车¾模仿某些鱼类所喜欢的声音来诱捕鱼的电子诱鱼器¾通过对萤火虫和海蝇地发光原理的研究获得了化学能转化为光能的新方法从而研制出化学荧光灯等生活中的仿生学凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机电鳗智能机器人声纳人工脏器自动导航器™结构适应于功能是动物中的普遍现象™不同的动物其形态结构特征可以有相当大的差别。动物为适应自然的选择产生了各种各样的形态特征。™仿生学¾植物¾鱼类¾鸟类¾哺乳动物动物体的结构对功能的适应性仿生学现象从令人讨厌的苍蝇身上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。从萤火虫到人工冷光电鱼与伏特电池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能提前小时对风暴作出预报对航海和渔业的安全都有重要意义。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。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。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。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。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。船桨模仿的是鸭的蹼。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。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。贝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。船和潜水艇来自人们对鱼类和海豚沉浮的模仿。响尾蛇和空对空响尾蛇导弹。根据响尾蛇的颊窝能感觉到℃的温度变化的原理人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器一块干胶炮弹。我国纺织科技人员利用仿生学原理借鉴陆地动物的皮毛结构设计出一种KEG保温面料并具有防风和导湿的功能。年中科院(CAS)曾杰提出系统生物工程与系统遗传学的概念与原理探讨细胞仿生工程并于德国年提出细胞通讯的生物计算机(AutomaticCellandBionicComputer)模型。仿生学与遗传学的整合是系统生物工程(systemsbioengineering)的理念也就是发展遗传工程的仿生学。人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生跟随单基因遗传学单基因转移发展到多基因系统调控研究的系统遗传学(systemgenetics)、多基因转基因的合成生物学(syntheticbiology)以及纳米生物技术(nanobiotechnology)、生物计算(biocomputation、DNA计算机技术的系统生物工程发展仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统(artificialbiosystem)开发的时代。仿生学最新发展生物体生物模型数学模型技术模型技术装置二、仿生学的研究方法数学生物电子仿生学符号解剖刀电烙铁仿生学的主要研究方法仿生学的主要研究方法:提出模型进行模拟。对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题,将研究所得的生物资料予以简化,吸收对技术要求有益的内容,取消与生产技术要求无关的因素,得到一个生物模型将生物模型提供的资料进行数学分析,并使其内在的联系抽象化,用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中,不仅仅是简单的仿生,更重要的是在仿生中有创新。经过实践认识再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使最终建成的机器设备将与生物原型不同,在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。一感觉器官的模拟目前以眼、耳、鼻三种器官为主。已模似制成了“人造眼”、“电子耳”、“电子鼻”、“电子警犬”等。二神经元和神经网络的模拟目前已制成的“人工智能机”、“自学习机”。三生物定向和导航目前已制成的有:模仿蝙蝠的盲人“探路仪”模仿能感知千分之一温度变化的响尾蛇“探热器”模仿鸟类迁飞和鱼、龟、鲸等回游的机制以研制导航机制模仿蜜蜂的“太阳罗盘”和生物钟的“偏光罗盘”、“人工电子密蜂”模仿蚊、蝇等具有天然导航器官楫翅的“振动陀螺仪”用于高速飞机和火箭。四生物力学模拟人或动物肌肉的器具。如模仿膝关节制成的液压模型可以行走。做成鲸形状的日本大型远洋货轮提高航速百分之二十五。模仿企鹅的特殊运动方式制成了深雪上行驶速度达时速公里的雪地汽车。模仿袋鼠的运动制成了在沙漠中通行无阻的无轮汽车跳跃机等。五生物力能学如模仿萤火虫把化学能变成光能的效率几乎达百分之百的优点制出冷光源可提高电能利用效率几倍到几十倍。六医学仿生学已制成有原子动力心脏人工肾能做出六个基本动作的假手……目前研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”。仿生学是一门综合科学需要生物学、生理学、心理学、生物物理学、生物化学、控制论、数学、电子学、通讯、航空、航海、医学等等许多科学工作者进行合作去解决各自需要解决的问题。仿生学研究的范围仿生学的任务仿生学的任务:研究生物系统的优异能力及产生原理,将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造,或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学研究内容十分广泛,小至微观世界的分子仿生,大至宏观世界的宇宙仿生,主要包括:()电子仿生:模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等,研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等()控制仿生:模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等,研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等()机械仿生:模仿动物的走、跑、飞、游等运动,运用机械结构和力学原理,研制昆虫步行机等机械装置,寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理()化学仿生:模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等()医学仿生:包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外,还在研究建筑仿生、农业仿生等。仿生设计的特点、艺术科学性仿生设计学具有的共同特性艺术性。鉴于仿生设计学是以一定的设计原理为基础、以一定的仿生学理论和研究成果为依据因此具有很严谨的科学性。、商业性仿生设计学为设计服务为消费者服务同时优秀的仿生设计作品亦可刺激消费、引导消费、创造消费。、无限可逆性以仿生设计学为理论依据的仿生设计作品都可以在自然界中找到设计的原型该作品在设计、投产、销售过程中所遇到的各种问题又可以促进仿生设计学的研究与发展。仿生学的研究对象是无限的仿生设计学的研究对象亦是无限的仿生设计的原型也是无限的。、学科知识的综合性必须具备一定的数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科的基本知识。、学科的交叉性必须在设计学的基础上既要了解生物学、社会科学的基础知识又要对当前仿生学的研究成果有清晰的认识。它是产生于几个学科交叉点上的一种新型交叉学科。首先从自然中选取研究对象然后依此对象建立各种实体模型或虚拟模型用各种技术手段(包括材料、工艺、计算机等)对它们进行研究做出定量的数学依据通过对生物体和模型定性的、定量的分析把生物体的形态、结构转化为可以利用在技术领域的抽象功能并考虑用不同的物质材料和工艺手段创造新的形态和结构。①从功能出发、研究生物体结构形态制造生物模型。找到研究对象的生物原理通过对生物的感知形成对生物体的感性认识。从功能出发研究生物的结构形态在感性认识的基础上除去无关因素并加以简化提出一个生物模型。对照生物原型进行定性的分析用模型模拟生物结构原理。目的是研究生物体本身的结构原理。②从结构形态出发达到抽象功能制造技术模型根据对生物体的分析做出定量的数学依据用各种技术手段(包括材料、工艺等)制造出可以在产品上进行实验的技术模型。牢牢掌握量的尺度从具象的形态和结构中抽象出功能原理。目的是研究和发展技术模型本身。仿生设计的研究方法创造生物模型和技术模型☯信息仿生☯控制仿生☯拟态仿生☯力学仿生☯化学仿生☯整体仿生☯仿生材料三仿生学在工程技术中的应用关于信息接受(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。可举出的仿生学例子如将海豚的体形或皮肤结构(游泳时能使身体表面不产生紊流)应用到潜艇设计原理上。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。¾研究的是生物机构与外界环境、生物个体之间、生物体内各部分间的信息接收、存储、处理与利用的机理以及将其移植于技术系统之中的方法并最终制成类似于生物系统的计算系统和信息接收处理系统。™青蛙与电子蛙眼™水母与电子耳™电子鸽眼、电子鼻、电子耳等信息仿生信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙的视觉系统神经节细胞有种:“边缘侦察器”:感受外围物体边缘“昆虫侦察器”:感受移动的昆虫“事件侦察器”:感受亮度的变化“光强减弱感受器”:感受光线减弱时阴影的暗色部分★“电子蛙眼”:人造卫星跟踪系统、雷达系统、信息处理系统等由透镜(晶状体)在视网膜上形成光学图像后经过视细胞、双极细胞、输出细胞(神经节细胞)而送往大脑中枢“水母耳”风暴预测仪可提前小时左右预报风暴水母耳与电子耳“耳”(细柄上的小球)中有小小的听石上面布满神经感受器能听到风暴产生时发出的次声波(由空气和波浪摩擦而产生频率为赫兹赫兹传播比风暴、波浪的速度快)á研究生物机体控制系统的结构与功能原理并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统。á当前研究较多的是体内稳态、反馈调节、肢体运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落和人-机合作。Ó蛇的红外探测Ó蝙蝠与超声波Ó蛾的反雷达技术Ó动物的天然导航控制仿生控制仿生控制仿生颊窝¾颊窝是一个红外感受器对周围温度变化极为敏感能感受℃的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置。¾研制出现代夜视仪、空对空响尾蛇导弹以及仿生红外探测器蛇的红外探测蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源蝙蝠的捕食蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳信息处理根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人使用的“探路仪”和“盲人眼镜”飞行中的蝙蝠超声波声音反射波蛾脑参考波刺激接受器载有信息的超声波发出的超声波鼓膜器鼓膜器振动器胸神经节神经纤维气囊听觉细胞感受器鼓膜角质皱折非听觉细胞夜蛾的反雷达技术¾夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器可以从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出的超声波其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波从而在天敌面前处于“隐身”状态。¾科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材料用于飞机、舰船等装备大大减少了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。千里迁徙万里洄游动物的天然导航一些动物利用日月星辰导航也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪。动物的拟态与保护色生物界中普遍存在着拟态将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生。拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果式作训服的数码迷彩图案不仅能逃过肉眼识别而且在微光及红外的部分波段内具备防侦视的功能¾研究和模拟的是生物机体外部形态和内部结构的力学原理¾研究最多的是植物的茎、叶以及动物体形、肌肉、骨骼的结构力学原理和动物的飞行、游泳、血液循环系统的流体力学原理¾模拟形式:形体模仿、结构模仿¾常见种类A生物与造船A生物与飞机A生物与建筑力学仿生力学仿生力学仿生生物与造船体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船生物与造船结构的模仿模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液以减小湍流达芬奇设计的扑翼飞机生物与飞机现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中作各种花样演习飞鸟与飞机飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似昆虫翅膀的运动昆虫飞行时翅膀的运动很复杂其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好昆虫与飞机生物与建筑艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院东京中银舱体楼美国佛罗里达的未来世界博物馆¾研究和模拟的是生物体中的各类化学反应包括酶学原理、选择性生物膜和生物结构的能量转换、生物发光、生物发电等。º人工嗅觉º仿生物膜化学仿生化学仿生化学仿生嗅敏检测仪采集系统嗅敏元件放大系统报警系统报警系统电源嗅敏电阻是一类以SnO为主体的金属半导体它是一种表面效应很强的材料。狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后被辨别出的特定的气味信号立即被嗅觉细胞传递给大脑大脑便知道了所闻到的是一种什么气味。人工嗅觉仿生物膜细胞膜流动镶嵌模型D脂双层形成框架D蛋白质镶嵌其中D具有动态特点人工膜的特点化学组成和厚度与天然膜相似:能有效地分开两种不同的水相具有结构和化学两侧不对称性易于操作能用来研究膜的向量功能(如传递等)。蛋白分子磷脂分子镶嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白整体仿生整体仿生整体仿生生物计算机的特点•能制成超高密度的线路z能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥即使芯片中出了故障本身也能修复从而使它成为一种具有永久性的不出故障元件z只要用少量的能量就能工作不存在发热问题机器人检修宇宙飞船自动化机器人从月球土壤中提取气体智能机器人生物计算机¾侧向运动时蛇身体只有几个点接触地面为了减少与高温沙漠接触沙漠蛇多半采用这种运动形式¾在狭窄的空间内蛇无法摆动只能采用直线和伸缩的方式向前运动大多时候蛇采用蜿蜒运动的方式前进这是它效率最高的运动方式¾蛇形机器人而且这种蛇形机器人能够适应外星球比如月球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工作蛇形机器人智能机器人自然语言语音图形图像信息知识库管理软件求解问题推理软件智能接口软件内核软件(智能操作系统、编译系统等)并行处理体系结构知识库硬件推理机硬件智能接口硬件智能计算机组成人机接口软件硬件四仿生在纤维中的应用基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发研究正在各个领域广泛开展纺织纤维工业也不例外、尽管生物的组织结构和功能非常精密并难以捉摸然而一但了解到结构与功能的联系方式就可以在纺织纤维工业方面复制出所要求的具有生物功能的纤维产品从而探索并开发与生物界对应的仿生纤维和仿生纺织产品。基本原理™利用生物的结构和性质为工程技术提供新的设计思想及工作原理的仿生学在世纪年代开始发展介于生物科学与工程技术科学之间的边缘学科。™基础是模仿:模仿生命系统的构造和工作原理例如模仿鱼尾在船只的后部装上舵解决船定向问题模仿鸟的翅膀设计出了飞机的机翼根据昆虫的嗅觉器官将化学反应转化为电信号研制出灵敏的气体分析仪模仿人脑神经元的结构及其功能开发具有逻辑推理能力的人工神经网络系统等等。荷叶结构与超级防水织物™荷叶现象与结构:水滴在荷叶上能聚成球形并四处滚动。原因:荷叶表面有大量的微细凹凸结构其表面均被一层表面张力很小的蜡状物质所覆盖水滴不能进入荷叶内部水在荷叶上形成水珠将空气密封在荷叶表面的凹坑里覆盖在荷叶凹凸表面上的蜡状物质与空气之间的复合界面起到了支撑水的作用。™用超细纤维模拟荷叶结构特征制成了具有类似荷叶结构的织物、不仅有防水性还兼具透湿性和透气性可用于室外运动服、普通服装及工业纺织品和感觉更为舒适的滑雪服。™Lotuseffectselfcleaningsurfaces™surfaceofleafwaterdropletonleaf蝴蝶翅膀与金属光泽亚马逊河流域的闪峡蝶周身闪烁一种钻蓝色的色彩具有金属般的光泽被认为是最美丽的蝴蝶、闪峡蝶翅膀的鳞片上平行而整齐地排列着板状物它们之间相距约um、这种板状物高约um两侧有类似蕨类植物叶状的细小突起、经对这种蝴蝶的仔细观察和对其翅膀形态结构的多次研究发现当光线射在蝴蝶翅膀的鳞片上时大部分入射光进入狭缝在壁内部不断反射、折射、于涉并增大幅度产生鲜明的深色光泽闪峡蝶的鳞片结构可以增加蓝色光波长的振幅从而使相应的色彩更加鲜艳、更加深浓、据此科学家们仿照闪峡蝶翅膀的结构形态开发出多层扁平纤维织物:这种纤维用两种不同热收缩率的聚酯混合熔融纺丝后进行热处理并每隔mm周期性地形成一个扭曲螺旋的纤维用这种螺旋纤维织成织物后可使入射光在纤维的平行部与垂直部来回折射产生深浓闪烁的金属般的鲜艳光泽、用这种纤维织成的面料不但有鲜艳的闪色效果而目还有柔软和褶皱精美的特点适于制作衬衫和外套可赋予其新的观感。夜蛾:能够逃过具有超声波射线器官的蝙幅的追捕。原因:夜蛾的角膜表面整齐地排列着微细圆锥状的突起结构能够防止夜晚微弱光反射的损失使光线穿透眼角膜球晶体从而及时察觉由蝙幅发出的超声波射线而逃脱追捕像靖蜒和蜜蜂这种白天活动的昆虫却没有这种结构。所以当在纤维表面制成像夜蛾角膜那样的突起结构即形成每平方厘米亿个微坑的凹凸结构后纤维表面能够导致入射光呈散射状从而增加纤内部对入射光的吸收而减少光的反射率提高黑色感。由于这种结构表面可使正反射光减少结果纤维织物的色泽加深精度提高了蛾的角膜与超微坑纤维超微坑纤维:模仿夜蛾角膜而获得的一种具有深色光泽的纤维纤维的色彩除自另发光外还取决于光的反射、穿透、吸收三要素。纤维色泽深度与材料的折射率、纤维纤度、截面形状和纤维的表面形态等有关。会呼吸的纤维人体生物化学:人体运动时由于机体代谢加强体内氧的消耗和二氧化碳的生长都在增加。其增加程度取决于骨骼肌活动的速率和强度、甚至在轻度运动刚开始体能消耗即立即增加而摄入的氧却不能立即增加到完全由氧化供能所需要的量尤其是在极剧烈的运动中如果氧不能得到及时补充运动终将不能持久进行。当然通过锻炼可以提高机体的运动能力、但如果能为运动员提供一个充满新鲜氧的活动环境随时为运动员补充运动中消耗的氧那么这个运动员一定有希望获得奥运会长跑的冠军。具有呼吸功能的纤维的开发原理:将类似于血液中对于呼吸作用有贡献的血红肌辅基的功能色素扑琳化合物作为诱导体以染色的方法大量固着于纤维高分于材料的表面由于这种特殊功能色素具有与植物的光合成化合物叶绿素相似的机能因此当它们固着在高分于纤维表面时可利用纤维材料所具有的柔软和巨大表面积充分吸收空气中的水分或人体汗液当碰到光时被纤维材料所吸附的水分即可被分解从而产生或建立形成氧的体系。将这样的纤维织物穿在身上加之周围适当的温度身体表面就会获得新鲜的氧并通过人体皮肤布满的毛细管不断向血液输送。变色龙与变色纤维变色龙:会随环境变化而改变自身颜色的动物。变色原理:变色类型涉及到受光、热、液体、压力、电子射线等的作用而产生显色、消色或变色光敏变色:当外部刺激源为光时称光敏变色热敏变色:外部刺激源为热时称热敏变色与此类似的还有湿敏变色、压敏变色、光电变色等等光色现象的产生:因为光可使某些化合物发生光裂解反应导致能量状态发生变化化合物分子分解成离子或游离基或发生氧化还原反应。典型的化合物有螺环吡喃系统和偶氮苯系统化合物、最近又研制出了更稳定的螺环磺胺异错系统化合物它使感光变色纤维织物在应用过程中的显色性、快速光致变色性以及洗涤牢度更为优良。美国已开发野战用伪装衣湿敏变色利用反光显色的采光珍珠与遇水产生透明感的二氧化硅混合制成的泳装己在日本市场销售变色远离:二氧化硅在干燥状态下可反射光线泳装显现深色但在潮湿或遇水后二氧化硅变成透明此时采光珍珠显色从而获得变色效果达到体现人体线条美的服饰要求蜘蛛丝是目前世界上最为坚韧且具有弹性的纤维之一其性能媲美于防弹纤维Kevlar。蛛丝蛋白具有奇特的性能蛛丝在雨中不会溶化说明蛛丝蛋白是不溶于水的。当蜘蛛吐丝时液态的蛛丝蛋白经过一管道到达纺绩突,在这里可以观察到液态的蛛丝蛋白已经具有了某些液态晶体的性质。当蛛丝蛋白从纺绩突被挤压出来时,就成为了不溶于水且极其坚韧的固体了。蜘蛛的超级技术:如何把水溶液的蛋白质分子纺织成比防弹背心还要坚韧、难以溶解的蛛丝。仿蜘蛛丝人们在观察蚕吐丝后想到用蚕叶制出类似的纤维。在测定蚕丝和桑叶组成的时候发现二者都含有碳、氢、氧种元素而蚕丝还含有氮元素。根据其含氮元素的启示人们将纤维素用硝酸处理后,制成了硝酸纤维素。这种含氮元素的纤维素可以溶解于酒精。将其配成溶液,通过细孔压出一道细流酒精蒸发后就变成了一根根细丝。于是人类模仿蚕吐丝制造出了人造纤维。人造纤维大量存在于虾、蟹等甲壳虫的壳聚糖作为一种资源丰富的天然生物高分子是迄今为止人们发现的唯一天然聚正离子化合物。研究表明:壳聚糖和它的衍生物显示出了良好的抗菌活性抗菌谱广。以往采用的织物抗菌剂多为无机物或有机小分子化合物存在毒性大、易被洗脱等缺点而以壳聚糖作为抗菌剂能克服上述问题。粘胶纤维具有很好的穿着舒适性是以纤维素为原料制成的。纤维素同样是自然界中储量巨大的可再生天然高分子材料管云林教授选择了以壳聚糖与粘胶纤维共混制备天然抗菌纤维因二者结构相似具有良好的相容性最终织物仍具天然高分子材料所特有的环境友好性能对保健和环保性衣着织物的研究与开发具有重要意义和广阔的应用前景。仿生抗菌纤维在天然纤维中,蚕丝能产生光泽。蚕丝的闪光来源于它的断面在光的照射下纤维的个几何面折光率不一样而像三棱镜那样使光产生折射和分光,呈三角形。这样折射出来的光线就眩目多彩了。把蚕丝和尼龙丝在显微镜下观察,结果发现蚕丝的截面呈三角形尼龙丝则呈圆形丝绸截面凹凸不平尼龙丝则光滑平整尼龙的圆柱截面像一块凸镜。前者对光的反射、折射性能都强于后者。丝绸之所以特别光滑柔软、轻盈优雅,其奥妙就在这里。由此受到启发,人们便模仿蚕丝的几何形状将尼龙丝制成Y形断面结构制成了外貌与蚕丝相似但兼有尼龙防皱、耐磨、快干特点的新型化学纤维。后来人们将涤纶长丝截面制成了Y形结构后再投入碱性溶液中使其表面“腐蚀”成蚕丝一样的坑坑洼洼其结果可与真丝相媲美。异形纤维在纺织品设计中运用仿生学相似原理如:化纤织物仿毛、仿丝、仿麻、仿毛皮等。其中仿麂皮、仿貂皮织物既象毛皮又不是毛皮,很受消费者的欢迎。早在多年前我国古代劳动人民就能织制各种纹彩绮丽的真丝绸产品成为向朝廷进贡的贡品。直至年人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪利用硝酸液处理棉绒制成硝酸纤维素由法国化学家夏尔多内首次成功地由硝酸纤维素制成硝酸纤维。同年,英国人克劳斯和贝文申请了第一个醋酸纤维制造方法的专利这种纤维的问世是仿生学运用的成果。其后相继研究开发成功仿毛(多角形、扁平形、带状形、中空等异形纤维)、仿丝(三角形等异形纤维)和仿麻(扁平形、带状形等异形纤维)等各种化学纤维,为发展纺织工业、增加纺织新产品作出了贡献。仿真织物BiomimeticsBiomimetics™Notableinnovationsfromunderstandingnature›Velcro维可牢尼龙搭扣›Geckotape壁虎胶带›Lotuseffectselfcleaningsurfaces›Dragreductionbysharkskin减阻›Smartfabric™Velcroƒsmallhooksenableseedbearingburrtoclingtotinyloopsinfabric™GeckotapeDInspirationfromtheremarkablehairsthatallowgeckostohangsingletoedfromsheerwallsandwalkalongceilingsDresearcherscreatedanarrayofsyntheticmicrofibresthatusesveryhighfrictiontosupportloadsonsmoothsurfacesLotuseffectLotuseffect™mostefficientselfcleaningplant=greatsacredlotus(Nelumbonucifera)™mimickedinpaintsandothersurfacecoatings™pipecleaninginoilrefineriesdragreductionbysharkskindragreductionbysharkskin˜specialalignmentandgroovedstructureoftoothlikescalesembeddedinsharkskindecreasedragandthusgreatlyincreaseswimmingproficiency˜Airbusfuelconsumptiondown½then“sharkskin”coatingappliedtoaircraftSmartSmartfabricfabric™pineconemodel™adaptstochangingtemperaturesbyopeningwhenwarmorshuttingtightifcold松果含有种子的松节硬壳随着相对湿度的改变而移动种子干时,硬壳是张开的松节放出松子潮湿时硬壳关闭。硬壳的结构以及组成硬壳的细胞壁随着相对湿度的改变作出相应改变。硬壳的解剖标本露出个组织层它们缠结在一起形成一个双条层,其中一个组织类型比另一个组织类型具有较高的硬度和较低的吸湿膨胀系数。在植物的叶、茎等表面的气孔是尺寸可以控制的微孔通过控制织物防护细胞的形状能够打开或关闭在它表面的微孔从而调节环境和植物之间的气体交换。从仿生学的观点出发智能纤维织物应具有或部分具有以下条生物智能:信息感知、学习预见、反馈传递、响应性、自维修、自诊断、自动平衡、自适应。它含有一层很薄的羊毛或极其吸水性材料制成的穗状物碰到汗水就会展开来。汗水一干穗状物又自动收拢。第二层则是防雨材料。五、仿生和智能材料仿生材料仿制天然生物材料或具有生物功能甚至是真正有生物活性的材料。智能材料定义指模仿生物系统中同时具有感知和驱动双重功能的材料又称机敏材料。感知、反馈和响应是智能材料的三大要素智能材料:如变色玻璃、形状记忆合金、增韧氧化锆陶瓷、正温度系数热敏陶瓷、陶瓷变阻器以及合成弹性多肽等正在研究的智能材料和系统¾能自诊断断裂的飞机机翼¾控制湍流和噪声的机械蒙皮¾人工肌肉和皮肤¾定向投药等智能材料是随外界环境而改变其性能的一类材料(如变色太阳镜)也可发展为具有自适应、自预警、自修复的材料。实际上真正的智能材料很少一般称之为机敏材料。但正在发展的是“智能系统”即感知(敏感元件)→电脑(指挥)→制动(压电陶瓷、形状记忆合金、电流变流体等)。智能系统用于控制飞机机翼可提高可靠性、机动性和安全性并可降低油耗。高性能材料的研发将因纳米科学技术及计算材料科学的进高性能材料的研发将因纳米科学技术及计算材料科学的进展而加速发展。展而加速发展。材料的制备过程目前以自上而下为主材料的制备过程目前以自上而下为主而纳而纳米技术开发以后米技术开发以后改变为“由下而上”流程形成所谓形成所谓““自组自组装装””(Self(SelfAssembly)Assembly)制备方法这种过程既节约资源又高效可制备方法这种过程既节约资源又高效可控因而在不太长的时间内将有大发展。控因而在不太长的时间内将有大发展。SmartmaterialsSmartmaterials“smartrespondstoastimuluswithonepredictableaction”™normalmaterialshavelimitedresponses™smartmaterialshaveappropriateresponses™butresponseisthesameeverytime™smartmaterialshaveappropriateresponsesƒphotochromicglass™darkensinbrightlightƒlowmeltingpointwaxinafiresprinkler™blocksthenozzleuntilitgetshotƒacousticemission™soundsemittedunderhighstressƒembeddedopticalfibres™brokenendsreflectlightbackƒmicroporousbreathablefabricsWaterproofclothingWaterproofclothing™Goretex®™microporousexpandedPTFEdiscoveredinbyBobGore™~xmicroporesperm²™eachporeisaboutxlargerthanawatervapourmolecule™waterdropis,xlargerthanapore戈尔特斯TMIntelligentstructuresIntelligentstructures“intelligentrespondstoastimuluswithacalculatedresponseanddifferentpossibleactions”™compositesmadeatlowtemp™∴canembedadditionalcomponents™controlcandecideonnovelresponse™embedthreeelementsofthesystem:™™sensorssensors™™signalprocessingandcontrolsignalprocessingandcontrol™™actuatorsactuatorsSensorsSensors™straingauges™microdieletricinterdigitatedsensors™opticalfibres™piezoelectriccrystals™shapememoryalloys™electrorheologicalfluids™giantmagnetoimpedance(GMI巨磁阻抗)wiresControlControl™proportionalintegralderivative(PID)ƒproportional:output=(gainxerror)biasƒintegral:output=gainx(error∫errorwrttime)ƒderivative:output=gainxderivativexdedt™advancedsystemsAdvancedcontrolAdvancedcontrol™proportionalintegralderivative(PID)™fuzzylogiccontrol(FLC)ƒslidingmodecontrol™artificialneuralnetworks(ANN)™geneticalgorithms(GA)™knowledgebasedsystemsartificialintelligenceexpertsystemsActuatorsActuators™hydraulic,pneumaticandelectric™piezoelectriccrystalsƒshapechangeswhenvoltageapplied™shapememorymaterialsƒshapechangesataspecifictemperatureƒalloys=SMApolymers=SMP™magnetorheological(MR)fluidsƒviscositychangeswithmagneticfield™electrorheological(ER)fluidsƒviscositychangeswithelectricfieldIntelligentStructures:IntelligentStructures:applicationsapplications™artificialhandƒSMAfing

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