仿生智能材料-

1、1.1 1.1 仿生學(xué)仿生學(xué) 1 1、仿生學(xué)概念、仿生學(xué)概念 2 2、生物材料與仿生材料、生物材料與仿生材料 1.2 1.2 智能材料智能材料 1 1、什么是智能材料、什么是智能材料 2 2、智能材料的特征、智能材料的特征 3 3、智能材料的構(gòu)成、智能材料的構(gòu)成 4 4、智能材料的應(yīng)用、智能材料的應(yīng)用 1.1 1.1 仿生學(xué)仿生學(xué) 1 1、仿生學(xué)概念、仿生學(xué)概念 人類進(jìn)化只有500萬(wàn)年的歷史，而生命進(jìn)化已經(jīng)歷了約35億年。人類很早就認(rèn)識(shí)到生物具有許多超出人類自身的功能和特性。對(duì)生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能和行為等進(jìn)行研究，我們就會(huì)從自然中獲得解決問(wèn)題的智慧和靈感。 水母的順風(fēng)耳，仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和

2、功能，設(shè)計(jì)了水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀，能提前15小時(shí)對(duì)風(fēng)暴作出預(yù)報(bào)，對(duì)航海和漁業(yè)的安全都有重要意義。 寶馬H2R氫燃料汽車外型和設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自海豚、企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其0.21的阻力系數(shù)。同樣，尺寸龐大的寶馬7系得益于其流線造型，阻力系數(shù)也僅為0.29。 美國(guó)研發(fā)出一款舉世無(wú)雙的“海豚潛艇”，它不僅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一樣時(shí)而潛入水中，時(shí)而躍出水面做出驚險(xiǎn)刺激的翻騰動(dòng)作。仿生學(xué)仿生學(xué)(Bionics)：模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、 原理、行為以及相互作用，原理、行為以及相互作用，建造技術(shù)系統(tǒng)，或建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)

3、具有生物系統(tǒng)特征或類似特者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，仿生學(xué)就是征的科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，仿生學(xué)就是“模仿生物模仿生物的科學(xué)的科學(xué)”。 仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的一門邊緣科學(xué)。成的一門邊緣科學(xué)。2 2、生物材料和仿生材料、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有著人工材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性能。生物材料生物材料通常有兩個(gè)定義，一是有生命過(guò)程形成的材料，如結(jié)構(gòu)蛋白（蠶絲等）和生物礦物（骨、牙、貝殼等），另一個(gè)是指生物醫(yī)用材料(Biomedic

4、al materials),其定義隨醫(yī)用材料的發(fā)展不斷發(fā)展，指用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料。天然生物材料是經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇與進(jìn)化，在細(xì)胞調(diào)制下形成的，其基本組成單元很平常，但材料的微觀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，具有空間上的分級(jí)結(jié)空間上的分級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)，通常是兩相或多相的復(fù)合材料復(fù)合材料，表現(xiàn)出人工合成材料無(wú)法比擬的性能。生物體的啟示：生命體中特殊機(jī)能的智能化大多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如昆蟲(chóng)復(fù)眼感光膜的視覺(jué)神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu)（由緊密排列的柱狀的微絨毛構(gòu)成，絨毛的長(zhǎng)度約1-2um、直徑約60nm)；鯊魚(yú)皮膚表面具有排列有序的微小鱗狀突起 仿生材料仿生材料（Bio-inspiredBio-inspire

5、d）： 受生物啟發(fā)或者模擬生物的各種特性而開(kāi)發(fā)的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和結(jié)構(gòu)特征的成分、結(jié)構(gòu)仿生成分、結(jié)構(gòu)仿生、模仿生物體中形成材料的過(guò)程和加工制備仿生過(guò)程和加工制備仿生、模仿生物體系統(tǒng)功能的功能仿生功能仿生。1.2 1.2 智能材料智能材料1 1、什么是智能材料、什么是智能材料？ 材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)結(jié)構(gòu)材料主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)功能材料側(cè)重于其特有的功能。功能材料功能材料對(duì)來(lái)自外界或內(nèi)部的各種信息具有感知能力的敏感材料敏感材料在外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能對(duì)之作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概

6、念。智能材料：智能材料： 具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的類似生物智能特一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的類似生物智能特征的材料。征的材料。如果能把感知、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和信息等三種功能材料有機(jī)地復(fù)合或集成于一體就可能實(shí)現(xiàn)材料的智能化。2、智能材料的特征、智能材料的特征具體地說(shuō)，智能材料具備下列智能特性：智能特性：(1)具有感知感知功能，可探測(cè)并識(shí)別外界（或內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)、輻射等；智能金屬材料智能無(wú)機(jī)非金屬材料智能高分子材料智能高分子材

7、料(2)具有信息傳輸信息傳輸功能，以設(shè)定的優(yōu)化方式選擇和控制響應(yīng)；(3)具有對(duì)環(huán)境變化作出響應(yīng)及執(zhí)行響應(yīng)及執(zhí)行的功能；(4)反應(yīng)靈敏、恰當(dāng)；(5)外部刺激條件消除后能迅速回復(fù)回復(fù)到原始狀態(tài)。智能材料必須具備智能材料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制感知、驅(qū)動(dòng)和控制三個(gè)基本要三個(gè)基本要素。素。 從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，智能材料應(yīng)具有或部分具有下列生物功能：(1)有反饋功能，能通過(guò)傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出信息進(jìn)行比較，并將解結(jié)果提供給控制系統(tǒng)；(2)有信息積累和識(shí)別功能，能積累信息，能識(shí)別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進(jìn)行分析和解釋；(3)有學(xué)習(xí)能力和預(yù)見(jiàn)性功能，能通過(guò)對(duì)過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的收集，對(duì)外部刺激作出

8、適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見(jiàn)未來(lái)并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)；(4)有響應(yīng)性功能，能根據(jù)環(huán)境變化適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出響應(yīng)；(5)有自修復(fù)功能，能通過(guò)自生長(zhǎng)或原位復(fù)合等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部破損；(6)有自診斷功能，能對(duì)現(xiàn)在和過(guò)去的情況作比較，從而能對(duì)諸如故障及判斷失誤等問(wèn)題進(jìn)行自診斷和校正；(7)有自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能，能根據(jù)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境作出響應(yīng)。3 3、智能材料的構(gòu)成、智能材料的構(gòu)成 智能材料一般由基體材料基體材料、敏感材料敏感材料、驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)材料材料和信息處理器信息處理器四部分構(gòu)成。它不是傳統(tǒng)的單一均質(zhì)材料，而是一種復(fù)雜的智能材

9、料系統(tǒng)。 基體材料基體材料首選高分子材料，因?yàn)橘|(zhì)量輕，耐腐蝕；其次也可選金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。 敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境的變化（溫度、濕度、壓力、pH值等）。 常用的敏感材料有形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色、液晶材料等。 在一定條件下， 驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)響應(yīng)和控制響應(yīng)和控制的任務(wù)。 常用常用的驅(qū)動(dòng)材料的驅(qū)動(dòng)材料有形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料等。 可以看出，這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料又是又是敏感敏感材料，材料，顯然起到了身兼二職的作用。 在一定條件下， 驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力

10、，所以它擔(dān)負(fù)響應(yīng)和控制響應(yīng)和控制的任務(wù)。 常用常用的驅(qū)動(dòng)材料的驅(qū)動(dòng)材料有形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料等。 可以看出，這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料又是又是敏感敏感材料，材料，顯然起到了身兼二職的作用。（1 1）用于航空、航天飛行器）用于航空、航天飛行器采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn)載器進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)；空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí)施自診斷。 4、智能材料的應(yīng)用、智能材料的應(yīng)用自適應(yīng)機(jī)翼自適應(yīng)機(jī)翼具有翼型自適應(yīng)能力，如當(dāng)飛機(jī)在飛具有

11、翼型自適應(yīng)能力，如當(dāng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智行過(guò)程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料就能夠迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，能材料就能夠迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平衡地從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平衡地飛行。飛行。（2 2）用于建筑、工程結(jié)構(gòu)）用于建筑、工程結(jié)構(gòu)例：例：可以利用形狀記憶合金材料對(duì)應(yīng)變敏感、電可以利用形狀記憶合金材料對(duì)應(yīng)變敏感、電阻率大及加熱后可以產(chǎn)生大回復(fù)力的特點(diǎn)，將記阻率大及加熱后可以產(chǎn)生大回復(fù)力的特點(diǎn)，將記憶材料埋植在各種結(jié)構(gòu)中，再配上微處理器，使憶材料埋植在各種結(jié)構(gòu)中，再配上微處理器，使之集傳感

12、驅(qū)動(dòng)于一體，便構(gòu)成自動(dòng)探測(cè)裂紋或損之集傳感驅(qū)動(dòng)于一體，便構(gòu)成自動(dòng)探測(cè)裂紋或損傷和主動(dòng)控制裂紋擴(kuò)展的完整控制系統(tǒng)。傷和主動(dòng)控制裂紋擴(kuò)展的完整控制系統(tǒng)。 例：例：“自愈合”纖維能感知混凝土混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，并能自動(dòng)粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯聚丙烯制成的多孔狀中空纖維中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過(guò)度撓曲時(shí)，它會(huì)被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)化學(xué)物質(zhì)，來(lái)充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當(dāng)鋼筋周圍的酸酸度度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層就會(huì)溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。 （3 3）用于日常生活）用于日常生活例：例： 通用汽車已經(jīng)在進(jìn)行將智能材料應(yīng)用在其未來(lái)汽車產(chǎn)品中的研發(fā)工作。這些非?！奥斆鳌钡牟牧夏軌螂S著溫度、壓力、磁場(chǎng)和電壓等條件的不同變化，而相應(yīng)改變自身的密度、硬度，甚至外形。 例：例：日本推出了一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時(shí)，聚合物條