仿生復(fù)合材料

仿生復(fù)合材料材料研究的難題1奇妙的生物材料2仿生材料與仿生學(xué)3復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)4當(dāng)今材料學(xué)研究領(lǐng)域所面臨的問題纖維易由基體拔出而導(dǎo)致增強(qiáng)失效連續(xù)纖維的脆性和界面設(shè)計(jì)的困難尋求陶瓷基復(fù)合材料增韌方法時(shí)遇到困難內(nèi)部裂紋的愈合方法晶須長(zhǎng)徑比不易選擇尋找復(fù)合材料損傷性能的恢復(fù)方法Problem貝殼和珍珠在斷裂前能經(jīng)受較大的塑性變形，具有優(yōu)異的高韌性。其主要原因是由于裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維（晶片）拔出以及有機(jī)基質(zhì)橋接等各種韌化機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌化機(jī)制又與珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。貝殼是的強(qiáng)、韌的最佳配合,它又被稱為摔不壞的陶瓷。竹材表層的高強(qiáng)和高韌主要是由于竹纖維優(yōu)越性能所致。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：空心柱、纖維螺旋分布、多層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：層間夾角避免物理幾何的突變，改善相鄰層間結(jié)合；增加外層厚度，降低少量正向剛度，切向剛度大幅度提高。悉尼奧運(yùn)會(huì)游泳比賽中，澳大利亞選手伊恩·索普穿黑色連體緊身泳裝，宛如碧波中前進(jìn)的鯊魚，劈波斬浪，一舉奪得3枚金牌，而他身穿的鯊魚皮泳衣也從此名震泳界。

北極熊的“衛(wèi)兵”——毛發(fā)，粗糙的外層保護(hù)底層細(xì)軟絨毛免受惡劣自然環(huán)境破壞。雖然看上去是白色的，但它們實(shí)際上是透明的，每一根毛發(fā)都擁有中空結(jié)構(gòu)，能夠起到極好的保溫隔熱作用。

壁虎膠帶電鏡顯示,壁虎腳上有密集的剛毛,1mm2上約有5000根長(zhǎng)度為30～130m的剛毛,每只腳上就有近50萬(wàn)根剛毛,并且每根剛毛又有400～1000根直徑為0.2～0.5m的細(xì)分叉,因此壁虎與附著物體有極大數(shù)目的接觸點(diǎn),總的范德華力相當(dāng)大,足以支持壁虎的全身重量。15生物材料的特征最小能量判據(jù)-化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在低（室）溫-氫鍵,親水/疏水相互作用-分級(jí)結(jié)構(gòu)（分子組裝）優(yōu)化的性能（功能）-手性-液晶（取向）-對(duì)刺激的響應(yīng)性生物循環(huán)圈-起始材料（C,H,O,Si）簡(jiǎn)單-可修復(fù)，可再生16生物材料的結(jié)構(gòu)特征分級(jí)結(jié)構(gòu)（頭發(fā)，木）納米結(jié)構(gòu)（荷葉，蝴蝶）膜結(jié)構(gòu)仿生材料仿生材料指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而開發(fā)的材料。仿生材料與仿生材料學(xué)仿生材料學(xué)的研究?jī)?nèi)容就是以闡明生物體的材料構(gòu)造與形成過程為目標(biāo),用生物材料的觀點(diǎn)來(lái)思考人工材料,從生物功能的角度來(lái)考慮材料的設(shè)計(jì)與制作。生物材料復(fù)合功能適應(yīng)性創(chuàng)傷愈合生物材料的特性19原理-向生物學(xué)習(xí)，模仿或取得啟示，仿造具有生物結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和功能的新學(xué)科。仿生是方法結(jié)構(gòu)（可降解的肽鍵，氫鍵，自組裝結(jié)構(gòu)，分級(jí)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)等）功能（催化，傳輸過程，分子識(shí)別等）從分子水平研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)效關(guān)系，研發(fā)類似或優(yōu)于生物材料的新材料20荷葉效應(yīng)蝴蝶顏色葉綠素的光合作用生物膜結(jié)構(gòu)與功能（植物細(xì)胞壁，類脂）腱，頭發(fā)和木的分級(jí)結(jié)構(gòu)骨和昆蟲殼（皮）的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)貝殼韌性（薄殼結(jié)構(gòu)）蛛絲強(qiáng)度蜂窩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)和制備外形力學(xué)性能截面結(jié)構(gòu)特定的，不規(guī)則的外形，如：骨骼力學(xué)性能的方向性如木、竹截面宏觀非均質(zhì)顯微組元具有復(fù)雜的、多層次的精細(xì)結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料最差界面的仿生設(shè)計(jì)1分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)2仿生螺旋的增韌作用3仿生愈合與自愈合抗氧化4仿生疊層復(fù)合材料的研究5一、復(fù)合材料最差界面的仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料的界面強(qiáng)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)力的理想傳遞，從而提高材料強(qiáng)度，但降低韌性。弱結(jié)合與之相反。最佳界面結(jié)合狀態(tài)不穩(wěn)定，在載荷作用下會(huì)偏離最佳點(diǎn)而變壞。仿生界面設(shè)計(jì)采用仿骨的啞鈴型增強(qiáng)體和仿樹根的分形樹型增強(qiáng)體，通過基體和增大了的端頭之間的壓縮傳遞應(yīng)力而對(duì)界面狀態(tài)不提出特殊的要求。應(yīng)力傳遞對(duì)界面狀態(tài)不敏感，即使界面設(shè)計(jì)很差，也能滿足要求而得到優(yōu)良的性能。二、分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)二、分形結(jié)構(gòu)分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)

分形樹結(jié)構(gòu)纖維模型模仿的是土壤中的草根和樹根。實(shí)驗(yàn)研究：纖維拔出的力和能量隨分叉角變大而增高。分形樹狀纖維和晶須的增強(qiáng)與增韌效應(yīng)三、仿生螺旋的增韌作用三、仿生螺旋的增韌作用竹材表層的高強(qiáng)和高韌主要是由于竹纖維優(yōu)越性能所致。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：空心柱、纖維螺旋分布、多層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：層間夾角避免物理幾何的突變，改善相鄰層間結(jié)合；增加外層厚度，降低少量正向剛度，切向剛度大幅度提高。三、仿生螺旋的增韌作用實(shí)驗(yàn)證實(shí)：將玻纖采用不同夾角進(jìn)行分層非對(duì)稱纏繞，并以環(huán)氧樹脂黏結(jié)制樣，進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)度降低38%，壓縮變形增加200%以上。四、仿生愈合與自愈合抗氧化四、仿生愈合與自愈合抗氧化生物體損傷自愈合材料的仿生自愈合材料得自然損傷-在空氣中的氧化某些材料通過氧化后形成致密的氧化物保護(hù)膜陶瓷/碳復(fù)合材料的自愈合抗氧化多層涂層、梯度涂層雖然可以做到消除熱應(yīng)力引起的裂紋，但涂層受到外力損傷，容易失去抗氧化的功能。陶瓷/碳復(fù)合材料處于高溫氧化性環(huán)境，表面首先碳化，形成陶瓷顆粒組成的脫碳層。脫碳層的陶瓷顆粒氧化增大體積或熔融浸潤(rùn)整個(gè)材料表面，氧氣的擴(kuò)散系數(shù)降低。五、

仿生疊層復(fù)合材料研究五、

仿生疊層復(fù)合材料研究天然復(fù)合材料很好的強(qiáng)度和韌性與其特殊的微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。疊層結(jié)構(gòu)是許多材料高斷裂韌性的根源。疊層結(jié)構(gòu)在斷裂過程中的變化：

a對(duì)裂紋的斷裂起到偏轉(zhuǎn)作用

b裂紋的頻繁偏轉(zhuǎn)延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展路徑

c導(dǎo)致裂紋從應(yīng)力狀態(tài)有利方向轉(zhuǎn)為不利方向

d有機(jī)質(zhì)發(fā)生塑性變形，降低裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，增大了裂紋的擴(kuò)展阻力。疊層復(fù)合材料疊層復(fù)合材料性質(zhì)疊層復(fù)合材料珍珠層39增韌機(jī)理：有機(jī)基體纖維化的作用40增韌機(jī)理：磚墻結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)（穩(wěn)定性好）41珍珠：磚墻結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)方法復(fù)合材料的仿生設(shè)計(jì)方法1界面宏觀擬態(tài)仿生設(shè)計(jì)2分子尺度的化學(xué)仿生3微觀晶體結(jié)構(gòu)的仿生4制造工藝仿生1.界面宏觀擬態(tài)仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料界面的作用：是增強(qiáng)物和基體連接的橋梁，同時(shí)也是應(yīng)力及其它信息的傳遞者，界面的性質(zhì)直接影響著復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。生物材料體現(xiàn)出優(yōu)良的載荷傳遞能力。纖維端部形成啞鈴狀的膨脹端來(lái)模仿動(dòng)物骨的構(gòu)造，如啞鈴狀的碳化硅晶須，延展性明顯提高。分形結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，強(qiáng)度和韌性比普通纖維高50%。仿雙螺旋韌皮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擬態(tài)2.分子尺度的化學(xué)仿生復(fù)合相界面的化學(xué)仿生和復(fù)合材料單體結(jié)構(gòu)化學(xué)仿生。a界面化學(xué)鍵仿生b單體化學(xué)分子結(jié)構(gòu)仿生骨替代材料的化學(xué)仿生3.微觀晶體結(jié)構(gòu)仿生與分子尺度相比，晶體尺度的微結(jié)構(gòu)仿生可以拋開物質(zhì)構(gòu)成成分的限制實(shí)現(xiàn)材料組分的微觀仿生復(fù)合。珍珠由95%文石單晶與5%蛋白質(zhì)多聚糖基體相互交替疊層形成，珍珠硬度為組成相的兩倍，韌性為組成相的1000倍。珍珠的疊層微結(jié)構(gòu)存在三種增韌機(jī)理：裂紋變形、纖維拔出、有機(jī)基體的橋聯(lián)作用。3.微觀晶體結(jié)構(gòu)仿生的應(yīng)用在樹脂多層復(fù)合材料中，先加入晶須，用磁場(chǎng)將晶須定位，晶須在層間形成橋聯(lián)。5層0.38mm厚的三氧化二鋁和4層0.18mm厚的纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂條交替疊層而成。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明，其斷裂功比單體三氧化二鋁提高了80倍。模仿珍珠微觀增韌結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于陶瓷改性研究已取得很大進(jìn)展。4.制造工藝仿生生物系統(tǒng)制造的非有機(jī)復(fù)合材料通過自身體液的礦化作用生成。人造復(fù)合材料是通過組成相的混合物在高溫下進(jìn)行熱處理。磷灰石-金屬基復(fù)合材料的制備仿生工藝：a.在生物環(huán)境下，提供能誘導(dǎo)磷灰石形成的表層b.模擬配置生物體液C.將商用Ti及其合金置于60℃，用一定濃度的氫氧化鈉溶液進(jìn)行24小時(shí)表面活化處理，在600℃高溫下進(jìn)行1h熱處理，浸入生物體液。d.X射線與紅外光譜測(cè)定表明，其無(wú)序的鈦酸鈉表面覆蓋有狀如薄片、含碳酸鹽的類似骨骼的磷灰石晶體。仿生方法評(píng)述復(fù)合材料仿生的四類方法：宏觀擬態(tài)仿生、微觀晶體尺度仿生、分子尺度化學(xué)仿生、工藝仿生。仿生方法是先弄清楚生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)然后模仿，以達(dá)到性能相似的目的。復(fù)合材料仿生制備的可行性途徑1）仿骨啞鈴狀碳化硅晶須的制備和增塑效應(yīng)2）用氣相生長(zhǎng)法制備樹根狀仿生碳纖維3）用分形樹狀氧化鋅晶須的制備4）碳纖維螺旋束的增韌效應(yīng)和反向非對(duì)稱仿生碳纖維螺旋的制備新方法5）自愈合抗氧化陶瓷/碳復(fù)合材料的制備6）制備內(nèi)生復(fù)合材料的熔鑄-原位反應(yīng)技術(shù)7）仿生疊層復(fù)合材料的制備1）仿骨啞鈴狀碳化硅晶須的制備和增塑效應(yīng)仿生SiC的制備

SiO+3CO----SiC+2CO2仿生SiC由直桿狀晶須和珠狀小球SiOx組成仿生SiC晶須增強(qiáng)PVCPVC片的強(qiáng)度有所降低，但塑性明顯提高2.用氣相生長(zhǎng)法制備樹根狀仿生碳纖維以苯為碳源，鐵為催化劑，氫為載氣。將硝酸鐵噴灑在陶瓷基板上干燥，將基板加熱使硝酸鐵分解為Fe2O3,氫氣還原為鐵，在1473K使碳纖維在基板上合成。3.用分形樹狀氧化鋅晶須的制備氧化鋅晶須形似草根，麥芒鋅粉在水中研磨，然后沉淀烘干，灼燒制成樣品。碳纖維螺旋束的增韌效應(yīng)和反向非對(duì)稱仿生碳纖維螺旋的制備新方法

化學(xué)仿生5.自愈合抗氧化陶瓷/碳復(fù)合材料的制備碳材料的自愈合抗氧化是通過彌散在基體中的非氧化物陶瓷顆粒氧化成膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。選擇合適的非氧化物組分、組成及粒度，使之在氧化氣氛中能夠生成黏度適中、相互濕潤(rùn)并對(duì)氧的擴(kuò)散系數(shù)小的均勻、連續(xù)、牢固的玻璃相薄膜，是實(shí)現(xiàn)碳材料自愈合抗氧化的重要因素。氧氣通過陶瓷邊界和空隙向碳材料內(nèi)部擴(kuò)散的過程，也是碳材料實(shí)現(xiàn)自愈合的過程。這一過程越短越好。6.制備內(nèi)生復(fù)合材料的熔鑄-原位反應(yīng)技術(shù)將原材料粉末加入金屬熔體中，利用粉末元素間的放熱反應(yīng)，在金屬熔體中直接反應(yīng)生成所需的增強(qiáng)相，可制備出一系列顆粒增強(qiáng)的金屬?gòu)?fù)合材料。7）仿生疊層復(fù)合材料的制備金屬的選擇和表面的預(yù)處理樹脂的選擇疊層材料的制備陶瓷仿生工藝在膜中生長(zhǎng)粒子可得到形狀和尺寸都可控的粒子，且粒子周圍的有機(jī)層可防止團(tuán)聚。在聚合物或凝膠基體上原位形成無(wú)機(jī)粒子可制備塊狀陶瓷復(fù)合材料。仿生復(fù)合材料的應(yīng)用人造骨骼疊層狀陶瓷、纖維增強(qiáng)鋁合金膠結(jié)層板、鋼板疊層復(fù)合材料薄層陶瓷材料水泥781.塑料涂層(學(xué)習(xí)對(duì)象：鯊魚)細(xì)菌感染恐怕是最令醫(yī)院頭疼的一件事，無(wú)論醫(yī)生和護(hù)士洗手的頻率有多高，他們?nèi)圆粩鄬⒓?xì)菌和病毒從一個(gè)患者傳到另一個(gè)患者身上。事實(shí)上，美國(guó)每年有多達(dá)10萬(wàn)人死于他們?cè)卺t(yī)院感染的細(xì)菌疾病。但是，鯊魚卻可以讓自己的身體長(zhǎng)久保持清潔——長(zhǎng)達(dá)一億多年。與其他大型海洋動(dòng)物不同，鯊魚身體不會(huì)積聚黏液、水藻和藤壺。這一現(xiàn)象給工程師托尼·布倫南帶來(lái)了無(wú)窮靈感，在2003年最早了解到鯊魚的特性以后，他多年來(lái)一直在嘗試為美國(guó)海軍艦艇設(shè)計(jì)更能有效預(yù)防藤壺的涂層。鯊魚整個(gè)身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲，就像是一層由小牙織成的毯子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地，而這樣一來(lái)，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細(xì)菌也就沒有了棲身之所。

一家叫Sharklet的公司對(duì)布倫南的研究很感興趣，開始探索如何用鯊魚皮開發(fā)一種排斥細(xì)菌的涂層材料。十大仿生技術(shù)792.音波手杖(學(xué)習(xí)對(duì)象：蝙蝠)這聽上去就像一個(gè)糟糕玩笑的開頭：一位大腦專家、一位生物學(xué)家和一位工程師走進(jìn)了同一家餐廳。然而，這種事情確實(shí)發(fā)生在英國(guó)利茲大學(xué)，幾個(gè)不同領(lǐng)域的專家的突發(fā)奇想最終導(dǎo)致音波手杖(Ultracane)的問世：這是一種盲人用的手杖，在靠近物體時(shí)會(huì)振動(dòng)。這種手杖采用了回聲定位技術(shù)，而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統(tǒng)去感知周圍環(huán)境。音波手杖能以每秒6萬(wàn)個(gè)的速度發(fā)送超聲波脈沖，并等待它們返回。當(dāng)一些超聲波脈沖回來(lái)的時(shí)間超過別的超聲波脈沖時(shí)，這表明附近有物體，引起手杖產(chǎn)生震動(dòng)。利用這種技術(shù)，音波手杖不僅可以“看到”地面物體，如垃圾桶和消防栓，還能感受到頭頂?shù)氖挛铮热鐦滂?。由于音波手杖的信息輸出和反饋都不?huì)發(fā)出聲音，使用者依舊能聽到周圍發(fā)生的事情。盡管音波手杖并未出現(xiàn)顧客排隊(duì)購(gòu)買的熱賣景象，但美國(guó)和新西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術(shù)，開發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品。803.新干線列車(學(xué)習(xí)對(duì)象：翠鳥)日本第一列新干線列車在1964年建造出來(lái)的時(shí)候，它的速度達(dá)到每小時(shí)120英里(約合每小時(shí)193公里)。但是，如此快的速度卻有一個(gè)不利方面，列車駛出隧道時(shí)總會(huì)發(fā)出震耳欲聾的噪音，乘客抱怨說有一種火車擠到一起的感覺。這時(shí)，日本工程師中津英治(Eiji

Nakatsu)介入了這件事。發(fā)現(xiàn)新干線列車總在不斷推擠前面的空氣，形成了一堵“風(fēng)墻”。

當(dāng)這堵墻同隧道外面的空氣相碰撞時(shí)，便產(chǎn)生了震耳欲聾的響聲，這本身對(duì)列車施加了巨大的壓力。中津英治在對(duì)這個(gè)問題仔細(xì)分析之后，意識(shí)到新干線必須要像跳水運(yùn)動(dòng)員入水一樣“穿透”隧道。為了獲取靈感，他開始研究善于俯沖的鳥類——翠鳥的行為。翠鳥生活在河流湖泊附近高高的枝頭上，經(jīng)常俯沖入水捕魚，它們的喙外形像刀子一樣，瞬間穿越空氣，從水面穿過時(shí)幾乎不產(chǎn)生一點(diǎn)漣漪。

中津英治對(duì)不同外形的新干線列車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)迄今最能穿透那堵風(fēng)墻的外形幾乎同翠鳥的喙外形一樣?，F(xiàn)在，日本的高速列車都具有長(zhǎng)長(zhǎng)的像鳥喙一樣的車頭，令其相對(duì)安靜地離開隧道。事實(shí)上，外形經(jīng)過改進(jìn)的新干線列車的速度比以前快10%，能效高出15%。814.風(fēng)扇葉片(學(xué)習(xí)對(duì)象：駝背鯨)美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)西切斯特分校流體動(dòng)力學(xué)專家、海洋生物學(xué)家弗蘭克·費(fèi)什(FrankFish)教授表示，他從海洋深處找到了解決當(dāng)前世界能源危機(jī)的辦法。費(fèi)什注意到，駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務(wù)。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起，它們?cè)谒驴梢粤铞L魚輕松在海洋中游動(dòng)。但是，根據(jù)流體力學(xué)原則，這些隆起應(yīng)該會(huì)是鰭的累贅，但現(xiàn)實(shí)中卻幫助鯨魚游動(dòng)自如。于是，費(fèi)什決定對(duì)此展開調(diào)查。他將一個(gè)12英尺(約合3.65米)長(zhǎng)的鰭狀肢模型放入風(fēng)洞，看它挑戰(zhàn)我們對(duì)物理學(xué)的理解。這些名為結(jié)節(jié)的隆起使得狀肢更符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。費(fèi)什發(fā)現(xiàn)，它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經(jīng)過的空氣分成鰭不同部分，就像是刷毛穿過空氣一樣。費(fèi)什的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在叫做“結(jié)節(jié)效應(yīng)”(tubercleeffect)，不僅能用于各種水下航行器，還應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的葉片和機(jī)翼。

根據(jù)這項(xiàng)研究，費(fèi)什為風(fēng)扇設(shè)計(jì)出邊緣有隆起的葉片，令其空氣動(dòng)力學(xué)效率比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提升20%左右。他還成立了一家公司專門生產(chǎn)這種葉片，不久將開始申請(qǐng)使用其節(jié)能技術(shù)，用以改善全世界工廠和辦公大樓的風(fēng)扇性能。費(fèi)什技術(shù)的更大用途則是用于風(fēng)能。他認(rèn)為，在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片增加一些隆起，將使風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變革，令風(fēng)力的價(jià)值比以前任何時(shí)候都重要。82無(wú)葉片的風(fēng)扇835.在水面行走的機(jī)器人(學(xué)習(xí)對(duì)象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴常常被稱為是“耶穌蜥蜴”，這種稱呼還是有一定道理的，因?yàn)樗茉谒献?。很多昆蟲具有類似本領(lǐng)，但它們一般身輕如燕，不會(huì)打破水面張力的平衡。體形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因?yàn)樗芤院线m的角度擺動(dòng)兩條腿，令身體向上挺、向前沖。2003年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人技術(shù)教授梅廷·斯蒂(Metin

Sitti)正從事這方面的教學(xué)工作，重點(diǎn)是研究自然界存在的機(jī)械力學(xué)。當(dāng)他在課堂以蛇怪蜥蜴作為奇特的生物力學(xué)案例時(shí)，他深受啟發(fā)，決定嘗試制造一個(gè)具有相同本領(lǐng)的機(jī)器人。

這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。發(fā)動(dòng)機(jī)的重量不僅要足夠的輕，腿部還必須一次次地與水面保持完美接觸。經(jīng)過幾個(gè)月的努力，斯蒂和他的學(xué)生終于造出第一個(gè)能在水面行走的機(jī)器人。盡管如此，斯蒂的設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步完善。這個(gè)機(jī)械裝置偶爾會(huì)翻滾，沉入水中。在他克服了重重障礙以后，一種能在陸地和水面奔跑的機(jī)器人便可能見到光明的未來(lái)。我們或許可以用它去監(jiān)測(cè)水庫(kù)中的水質(zhì)，甚至在洪水期間幫助營(yíng)救災(zāi)民。846.太陽(yáng)能電池板(學(xué)習(xí)對(duì)象：馬勃菌)橙黃色的馬勃菌海綿(puffballsponge)并不多見，它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”。馬勃菌海綿并沒有任何的附肢、器官、消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在過濾水體。然而，這種并不招搖的生物或許會(huì)是未來(lái)技術(shù)革命的催化劑。馬勃菌海綿的“骨骼”是由眾多格子狀的硅鈣物質(zhì)構(gòu)成，事實(shí)上，它類似于我們用以制造太陽(yáng)能電池板、微芯片和電池的材料，但有一點(diǎn)不同：我們?cè)谥圃爝@些材料時(shí)需要大量能量和各種各樣的有毒化學(xué)物質(zhì)。

馬勃菌海綿顯然在這方面做得更好：它們只要向水中釋放特殊的酶，從中吸收硅鈣，就能把這兩種化學(xué)物質(zhì)變成需要的外形。美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校生物技術(shù)教授丹尼爾·摩斯(DanielMorse)研究了馬勃菌海綿酶的特性，并在2006年成功進(jìn)行了復(fù)制。他通過清潔、效率很高的海綿技術(shù)制出大量電極。當(dāng)前，多家公司將投資數(shù)百萬(wàn)美元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟，將類似產(chǎn)品推向市場(chǎng)。幾年以后，當(dāng)太陽(yáng)能電池板忽然出現(xiàn)在美國(guó)每家每戶的屋頂上，微芯片只賣幾美元的時(shí)候，千萬(wàn)不要忘了感謝讓這一切成為現(xiàn)實(shí)的不起眼的馬勃菌。857.多刃鋸(學(xué)習(xí)對(duì)象：樹蜂)樹蜂屁股上兩根像鞭子一樣的大大的針狀物。它們不是刺兒，而是“鉆頭”。樹蜂利用這些針狀物(有時(shí)比整個(gè)身體還長(zhǎng))在樹上鉆洞，然后在里面“寄存”幼仔。多年來(lái)，生物學(xué)家一直不清楚樹蜂“鉆頭”的用法。與需要外力的傳統(tǒng)鉆洞方法不同，樹蜂可以從任何角度毫不費(fèi)力地鉆洞。經(jīng)過幾年的研究，科學(xué)家最終發(fā)現(xiàn)，樹蜂的兩根針狀物可以深入木頭，然后像拉鏈一樣鎖起來(lái)鋸東西。

英國(guó)巴斯大學(xué)的天文學(xué)家認(rèn)為，樹蜂的“鉆頭”在太空大有用武之地。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家為了在火星上尋找生命，他們必須在火星表面鑿洞。但是，在幾乎沒有重力的火星環(huán)境下，他們不清楚是否能找到可以在堅(jiān)硬表面鑿洞的壓力。受樹蜂的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)出一種一側(cè)有多余刀刃的鋸子，讓它們像樹蜂的“鉆頭”一樣互相推。從理論上講，這套裝置可以用于在無(wú)任何重力的流星的表面鑿洞。868.X光透視機(jī)(學(xué)習(xí)對(duì)象：龍蝦)X光透視機(jī)大而笨重是有原因的，與可見光不同，X光不喜歡彎曲，所以難以操作。我們對(duì)機(jī)場(chǎng)包裹以及醫(yī)院患者進(jìn)行掃描的唯一途徑是，用一連串放射物同時(shí)轟擊他們——這便需要儀器的個(gè)頭很大。但是，生活在水下300英尺(約合90米)處的龍蝦卻具有“X光視線”，而且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的X光透視機(jī)。與人眼(必須由大腦解讀所折射的圖像)不同，龍蝦可以直接看到反射的圖像，將其聚焦于某一個(gè)點(diǎn)，全部在此聚集以后形成圖像。

科學(xué)家多年來(lái)就試圖找到“偷學(xué)”龍蝦這種技巧的方法，用于制造新型的X光透視機(jī)?！褒埼r眼X光成像儀”(LEXID)是一種便攜式“手電筒”，可以看穿3英寸(約合8厘米)厚的鋼板。這套儀器可以射出一串細(xì)細(xì)的低功耗X光穿透物體，無(wú)論碰到什么東西，都會(huì)在另一端恢復(fù)原狀。正如在龍蝦的眼睛一樣，返回的信號(hào)通過小管中轉(zhuǎn)生成圖像。美國(guó)國(guó)土安全部已投資100萬(wàn)美元用于“龍蝦眼X光成像儀”的研發(fā)，希望用它去探測(cè)違禁物品。879.保存疫苗(學(xué)習(xí)對(duì)象：還魂植物和水熊蟲)當(dāng)事情不妙的時(shí)候，裝死顯然是不錯(cuò)的選擇。這是大自然兩種最具耐力的生物——還魂植物和水熊蟲——的座右銘?？茖W(xué)家或許會(huì)利用這兩種生物的驚人生物化學(xué)