仿生科學(xué)與技術(shù)

仿生科學(xué)與技術(shù)

Bio-inspiredScienceandTechnology

鄭州大學(xué)Biologically-inspired ClimbingRobots inUnstructuredTerrainAdhesiveProperties一、仿生學(xué)的歷史HistoryofBionics仿生學(xué)的發(fā)展階段仿生學(xué)萌芽時(shí)期(遠(yuǎn)古至1940年)仿生學(xué)建立時(shí)期(1940～1960年)仿生學(xué)鞏固時(shí)期(1960～1990年)現(xiàn)代仿生學(xué)時(shí)期(1990年至今)公元前450—500年，魯班帶有鋸齒的木工鋸。2300多年前墨子和他的300弟子，花了3年時(shí)間，造成一只“會(huì)飛的木鳥”，同時(shí)間希臘人阿奇太也制成一只“機(jī)械鴿子”。仿生學(xué)萌芽時(shí)期1903年12月17日，美國(guó)人萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)。1884年，法國(guó)化學(xué)家德貝爾尼戈·夏爾多內(nèi)首次成功地將硝酸纖維素制成硝酸纖維。同年，英國(guó)人查爾斯·克勞斯Charles·F·Cross)和愛德華·貝文(EdwaId·J·Bevan)申請(qǐng)了第一個(gè)醋酸纖維制造方法的專利，這兩種纖維的問(wèn)世是仿生學(xué)運(yùn)用的成果。仿生學(xué)建立時(shí)期20世紀(jì)40年代，出現(xiàn)了調(diào)節(jié)理論。1944年，申農(nóng)(C．Shannon)提議建立了信息論。1949年，控制論創(chuàng)始人、美國(guó)科學(xué)家維納(N．Wiener)出版了《控制論》。

控制論是研究機(jī)器和生物體中控制與通信的科學(xué)。成為在原理上溝通生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的橋梁，奠定了生物與機(jī)器在控制與通信上進(jìn)行類比的科學(xué)理論基礎(chǔ)。1960年9月誕生了一門新的交叉科學(xué)——仿生學(xué)。1960年9月13～15，在美國(guó)俄亥俄州達(dá)頓城(Dayton)的一個(gè)空軍基地，召開了美國(guó)第一屆仿生學(xué)討論會(huì)。J．E．斯蒂爾(JackEuwoodSteel)博士，給這門新誕生的科學(xué)分支起了一個(gè)名字叫做bionics(仿生學(xué))。因此，從1940～1960年屬于仿生學(xué)的建立時(shí)期。該時(shí)期，人類在仿生學(xué)研究中的最大貢獻(xiàn)是建立了仿生學(xué)理論。

從實(shí)質(zhì)上看，仿生學(xué)的誕生帶給人類的是創(chuàng)新的理念與方法，即向生命系統(tǒng)學(xué)習(xí)的理念，模擬生命系統(tǒng)的方法。使人類從一個(gè)嶄新的視角透視世界，發(fā)現(xiàn)前人未發(fā)現(xiàn)的事物，實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的原始創(chuàng)新，這是其他科學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。模擬是仿生學(xué)理論的實(shí)質(zhì)所在，是通過(guò)聯(lián)想來(lái)獲得由一種事物到另一事物的思維的推移與呼應(yīng)，是從生命系統(tǒng)的角度研究其他問(wèn)題的重要方法。仿生學(xué)鞏固時(shí)期美國(guó)從1960年起，先后召開過(guò)多次全國(guó)性的仿生學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)。北約組織專門討論了仿生學(xué)與宇宙空間研究的關(guān)系。前蘇聯(lián)的仿生學(xué)研究是在前蘇聯(lián)科學(xué)院控制論委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下專設(shè)一個(gè)仿生學(xué)局，以協(xié)調(diào)全蘇的仿生學(xué)研究工作。至1975年已召開多次全蘇仿生學(xué)座談會(huì)，同時(shí)，還舉行過(guò)多次加盟共和國(guó)仿生學(xué)專業(yè)會(huì)議。我國(guó)的仿生學(xué)研究工作始于1964年前后。1975年12月26日～1976年1月3日，中國(guó)科學(xué)院在北京主持召開了我國(guó)第1次仿生學(xué)座談會(huì)。1977年的“全國(guó)自然科學(xué)學(xué)科規(guī)劃會(huì)議”正式、全面地制定了我國(guó)的仿生學(xué)研究規(guī)劃。從仿生學(xué)誕生到20世紀(jì)70年代初期，美、俄(前蘇聯(lián))等許多國(guó)家都曾對(duì)仿生學(xué)知識(shí)進(jìn)行過(guò)廣泛宣傳，大量的知識(shí)性文章和書籍相繼出版。

總之，1960～1990年各國(guó)政府及科研單位、科研人員已廣泛地喚起整個(gè)社會(huì)對(duì)仿生學(xué)的理解與支持，所以，屬于仿生學(xué)的鞏固時(shí)期。該時(shí)期，人們借助仿生學(xué)的研究理念與方法在信息仿生學(xué)、控制仿生學(xué)、力學(xué)仿生學(xué)、化學(xué)仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)仿生學(xué)等領(lǐng)域中取得了新的成就，進(jìn)一步鞏固了仿生學(xué)的科學(xué)地位?，F(xiàn)代仿生學(xué)時(shí)期美國(guó)有一項(xiàng)優(yōu)先發(fā)展制造、先進(jìn)材料以及先進(jìn)軍事裝備研究等領(lǐng)域的長(zhǎng)期計(jì)劃，德國(guó)的研究與技術(shù)部已就“21世紀(jì)的技術(shù)”為題在適應(yīng)電子技術(shù)、納米技術(shù)、富勒碳材料、光子學(xué)、仿生材料、生物傳感器等領(lǐng)域投入了相當(dāng)大的財(cái)力和人力。英國(guó)在1993年5月就發(fā)表了題為《運(yùn)用我們的潛力——科學(xué)、工程和技術(shù)戰(zhàn)略》白皮書。日本、俄羅斯以及韓國(guó)等國(guó)都有相應(yīng)的中長(zhǎng)期計(jì)劃，在先進(jìn)制造、材料、生物技術(shù)、高性能計(jì)算與通信計(jì)劃等領(lǐng)域開展基礎(chǔ)性研究。這是一場(chǎng)在仿生科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)展開源頭研究的全球競(jìng)爭(zhēng)。中科院香山科學(xué)會(huì)議于2003年12月11～13日召開了題為《仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿》的第220次學(xué)術(shù)討論會(huì)。路甬祥院士和杜家緯研究員分別作了題為“仿生學(xué)的意義與發(fā)展”和“21世紀(jì)仿生學(xué)對(duì)我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的影響”的主題評(píng)述報(bào)告。提出了“仿生科學(xué)與技術(shù)”系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究的方向和優(yōu)先發(fā)展的前沿領(lǐng)域和基本發(fā)展戰(zhàn)略。

①建立復(fù)雜生物體系的研究與發(fā)現(xiàn)。著重發(fā)展仿生結(jié)構(gòu)與力學(xué)，仿生材料與微納系統(tǒng)，仿生功能器件及控制，分子仿生，神經(jīng)和信息科學(xué)等五大“仿生科學(xué)與技術(shù)”系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究的方向；

②優(yōu)先發(fā)展仿生材料，仿生工藝，仿生機(jī)械，仿生功能器件，微納米仿生技術(shù)，仿生傳感器，基因仿生工程，組織仿生工程，生物膜仿生工程和人工智能等10個(gè)前沿領(lǐng)域的研究與開發(fā)；③注重仿生科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究在我國(guó)當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的141項(xiàng)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用和商業(yè)化。

路甬祥院士發(fā)表了著名文章《仿生學(xué)的意義與發(fā)展》，提出了現(xiàn)代仿生學(xué)的前沿包括：①隨著分子生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的進(jìn)展，以及納米技術(shù)和MEMs技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，仿生學(xué)向微納結(jié)構(gòu)和微納系統(tǒng)仿生學(xué)方向發(fā)展；

SignificanceandProgressofBionics

JournalofBionicsEngineering(2004)

②隨著信息技術(shù)向網(wǎng)格和智能化方向發(fā)展以及神經(jīng)發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)展，向智能與認(rèn)識(shí)仿生學(xué)以及可持續(xù)經(jīng)濟(jì)仿生學(xué)、管理仿生學(xué)等方向發(fā)展；③隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境關(guān)心的日益迫切，將引發(fā)過(guò)程仿生學(xué)、能源仿生學(xué)等發(fā)展；

④隨著對(duì)基因組、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、腦與神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識(shí)，可能會(huì)推動(dòng)以解讀生命信息為目的的計(jì)算仿生學(xué)的發(fā)展?！肮芾矸律鷮W(xué)”、“經(jīng)濟(jì)仿生學(xué)”的前沿地位首次由國(guó)內(nèi)權(quán)威專家確認(rèn)。這為仿生學(xué)研究擴(kuò)展到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的支持，突破了過(guò)去仿生學(xué)研究?jī)H限于自然科學(xué)領(lǐng)域的范疇。

1990年至今，仿生學(xué)的研究地位已上升到國(guó)家安全戰(zhàn)略需要的高度；研究范圍既向基因組、蛋白結(jié)構(gòu)等分子水平方向發(fā)展，也向管理、經(jīng)濟(jì)等宏觀方向發(fā)展；既向自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的多個(gè)方面發(fā)展，又向社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域滲透。呈現(xiàn)出了全球競(jìng)爭(zhēng)、文理并進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，全面體現(xiàn)了仿生學(xué)在科學(xué)與技術(shù)研究中的源頭創(chuàng)新作用。起源：仿生學(xué)（Bionics）這個(gè)名詞來(lái)源于希臘文“Bion”，其含意是生命的單位；20世紀(jì)60年代，Bionics----Biomimetics---Bio-inspiredScience

二、DefinationofBionics

(仿生學(xué)的定義)定義：研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理以及系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、腦與認(rèn)知科學(xué)的交叉學(xué)科。特點(diǎn)：仿生學(xué)是一門高度綜合的學(xué)科，物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、腦與認(rèn)知科學(xué)、數(shù)學(xué)、生命科學(xué)、工程技術(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)等等多學(xué)科相互交叉、滲透。它的研究涉及多水平，多層次。從部分到整體，從分子到生物圈，都是它的研究對(duì)象。研究?jī)?nèi)容：

1、仿生材料

2、仿生結(jié)構(gòu)和力學(xué)、仿生工業(yè)設(shè)計(jì)

3、仿生功能器件以及控制

4、分子仿生

5、人工智能與認(rèn)知研究方法：有針對(duì)性地借鑒某種生物體的某些結(jié)構(gòu)的功能，研究并簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控機(jī)制，擇其有用制備出物理模型，建立數(shù)學(xué)模型。在有用和可用的前提下，采用技術(shù)手段，依據(jù)數(shù)學(xué)模型，制備實(shí)物模型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生物系統(tǒng)的工程模擬。仿生學(xué)的發(fā)展依賴于生物學(xué)和工程技術(shù)科學(xué)的發(fā)展；仿生學(xué)的發(fā)展也促進(jìn)了生物學(xué)科和工程技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)狀和前景國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)都相繼成立了仿生學(xué)研究所和研究室?？茖W(xué)家們正帶著自動(dòng)控制、能量轉(zhuǎn)換、信息處理、力學(xué)模式和材料構(gòu)成等大量技術(shù)難題，到生物系統(tǒng)中去尋找啟迪。哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)出有八只腳、二十四個(gè)自由度的多足機(jī)器人，可模仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遙控其爬行；日本展出的女機(jī)器人在皮膚、步態(tài)等方面已達(dá)到了亂真的程度；東京工業(yè)大學(xué)廣瀨教授等研制的機(jī)器蛇從1992年的ACMR1陸地型發(fā)展到2005年的ACM—R5水陸兩棲型；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的機(jī)器蛇也在向水陸兩棲型運(yùn)動(dòng)發(fā)展；美國(guó)Stanford大學(xué)的科學(xué)家研究仿壁虎機(jī)器人仿生學(xué)促進(jìn)生命科學(xué)、工程技術(shù)的發(fā)展

動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的人工誘導(dǎo)和神經(jīng)工程學(xué)的建立。

1997年，Holzer(法國(guó)）和Isao(日本)將蟑螂兩個(gè)觸角和翅膀切掉，用4個(gè)電極替代，有線刺激誘導(dǎo)蟑螂運(yùn)動(dòng)。后來(lái)Isao成功地遙控誘導(dǎo)了蟑螂運(yùn)動(dòng)。誘人前景2001年12月，美國(guó)商業(yè)部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)家科技委員會(huì)納米科學(xué)工程與技術(shù)分會(huì)聯(lián)合發(fā)起的由科學(xué)家、政府官員和產(chǎn)業(yè)界技術(shù)專家參與的圓桌會(huì)議，就“提升人類能力的會(huì)聚技術(shù)”進(jìn)行研討，提出一個(gè)NBIC理念例。NBICNanotechnology(納米技術(shù))、Biotechnology(生物技術(shù))、Infomationtechnology(信息技術(shù))和Cognitivetechnology(認(rèn)知技術(shù))。

NBIC會(huì)聚技術(shù)的重大意義在于：以上四個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)在當(dāng)前都迅速發(fā)展，每一個(gè)領(lǐng)域都有巨大潛力。而其中任何技術(shù)的兩兩融合、三種會(huì)聚或者四者集成，都將產(chǎn)生難以估量的效能。仿生學(xué)目前的發(fā)展態(tài)勢(shì)不僅應(yīng)和了NBIC會(huì)聚技術(shù)，后者也將是仿生學(xué)發(fā)展的主要方向。仿生學(xué)的意義在于：將生物35億年進(jìn)化的結(jié)果作為發(fā)明的參考；

將生物多樣性作為技術(shù)方案選擇的寶庫(kù)；將腦與神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能作為認(rèn)知研究和智能機(jī)器的最好示范；

將精妙和多樣的微結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)作為微、納米結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)技術(shù)的極好參照；將35億年形成的生物在復(fù)雜環(huán)境中感知、判斷、捕食、偽裝、軌避能力和適應(yīng)機(jī)制作為傳感、判斷、控制、隱身、環(huán)境適應(yīng)等技術(shù)的最好學(xué)習(xí)對(duì)象??1)經(jīng)過(guò)35億年進(jìn)化的生物世界是技術(shù)創(chuàng)新不可替代、取之不竭的知識(shí)寶庫(kù)和學(xué)習(xí)源泉；2)仿生學(xué)是諸多學(xué)科的交叉，需要生命科學(xué)家和多學(xué)科技術(shù)科學(xué)專家的共同關(guān)注與參與；3)仿生科學(xué)有無(wú)止境的前沿，正向微觀、系統(tǒng)、智能、精細(xì)、潔凈方向發(fā)展；4)重視并創(chuàng)新仿生學(xué)，是提升科學(xué)技術(shù)原始創(chuàng)新能力的一個(gè)重要方向。三、仿生設(shè)計(jì)（Bionic

Designs）主要涉及到數(shù)學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、控制論、信息論、人機(jī)學(xué)、心理學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、色彩學(xué)、美學(xué)、傳播學(xué)、倫理學(xué)等相關(guān)學(xué)科。仿生設(shè)計(jì)學(xué)研究范圍非常廣泛，研究?jī)?nèi)容豐富多彩，涉及到自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的許多學(xué)科。

“形”、“色”、“音”、“功能”、“結(jié)構(gòu)”等為研究對(duì)象，有選擇地在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用這些特征原理進(jìn)行的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合仿生學(xué)的研究成果，為設(shè)計(jì)提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。仿生設(shè)計(jì)學(xué)的研究?jī)?nèi)容

1、形態(tài)仿生設(shè)計(jì)學(xué):

研究生物體（包括動(dòng)物、植物、微生物、人類）和自然界物質(zhì)存在（如日、月、風(fēng)、云、山、川、雷、電等）的外部形態(tài)及其象征寓意，以及如何通過(guò)相應(yīng)的藝術(shù)處理手法將之應(yīng)用與設(shè)計(jì)之中。

2、功能仿生設(shè)計(jì)學(xué)：主要研究生物體和自然界物質(zhì)存在的功能原理，并用這些原理去改進(jìn)現(xiàn)有的或建造新的技術(shù)系統(tǒng)，以促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代或新產(chǎn)品的開發(fā)。

3、視覺(jué)仿生設(shè)計(jì)學(xué)：研究生物體的視覺(jué)器官對(duì)圖象的識(shí)別、對(duì)視覺(jué)信號(hào)的分析與處理，以及相應(yīng)的視覺(jué)流程；他廣泛應(yīng)用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)和環(huán)境設(shè)計(jì)之中。

4、結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)學(xué)研究生物體和自然界物質(zhì)存在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問(wèn)題，適用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)。研究最多的是植物的莖、葉以及動(dòng)物形體、肌肉、骨骼的結(jié)構(gòu)。

仿生設(shè)計(jì)學(xué)的特點(diǎn)

1、藝術(shù)科學(xué)性2、商業(yè)性3、無(wú)限可逆性4、學(xué)科知識(shí)的綜合性5、學(xué)科的交叉性仿生設(shè)計(jì)的歷史

木棒和石斧、風(fēng)箏、船體一八ОΟ年左右，英國(guó)科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一—?jiǎng)P利模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu).

法國(guó)生理學(xué)家馬雷，對(duì)鳥的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國(guó)人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過(guò)對(duì)鳥類飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥類飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。1852年，法國(guó)人季法兒發(fā)明了氣球飛船；1870年，德國(guó)人奧托.利連塔爾制造了第一架滑翔機(jī)。利連塔爾是十九世紀(jì)末的一位具有大無(wú)畏冒險(xiǎn)精神的人，他望著家鄉(xiāng)波美拉尼亞的鸛用笨拙的翅膀從他房頂上飛過(guò)，他堅(jiān)信人能飛行。仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展

19世紀(jì)末，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，給了人類有史以來(lái)一直夢(mèng)寐以求的東西：翅膀。1903年萊特兄弟發(fā)明了真正意義上的飛機(jī)。

在飛機(jī)的設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，怎樣使飛機(jī)拐彎和怎樣使它穩(wěn)定一直困繞著他們。為此，萊特兄弟又研究了鳥的飛行。例如，他們研究鶙鵳怎樣使一只翅膀下落，靠轉(zhuǎn)動(dòng)這只下落的翅膀保持平衡；這只翅膀上增大的壓力怎樣使鶙鵳保持穩(wěn)定和平衡。這兩個(gè)人給他們的滑翔機(jī)裝上翼梢副翼進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，由地面上的人用繩控制，使之能轉(zhuǎn)動(dòng)或彎翹。他們的第二個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)是用操縱飛機(jī)后部一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的方向舵來(lái)控制飛機(jī)的方向，通過(guò)方向舵使飛機(jī)向左或向右轉(zhuǎn)彎。

1960年秋，在美國(guó)俄亥俄州召開了第一次仿生學(xué)討論會(huì)，成為仿生學(xué)的正式誕生之日。此后，一大批仿生設(shè)計(jì)作品如智能機(jī)器人、雷達(dá)、聲納、人工臟器、自動(dòng)控制器、自動(dòng)導(dǎo)航器等等應(yīng)運(yùn)而生。目前，仿生設(shè)計(jì)學(xué)對(duì)生物體幾何尺寸及其外形的模仿同時(shí)，還通過(guò)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞等各種優(yōu)異特征，并把它運(yùn)用到技術(shù)系統(tǒng)中，改善已有的工程設(shè)備，并創(chuàng)造出新的工藝、自動(dòng)化裝置、特種技術(shù)元件等技術(shù)系統(tǒng).為創(chuàng)造新的科學(xué)技術(shù)裝備、建筑結(jié)構(gòu)和新工藝提供原理、設(shè)計(jì)思想或規(guī)劃藍(lán)圖，亦為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了新的方向，并充當(dāng)了人類社會(huì)與自然界溝通信息的“紐帶”。

探索人腦,對(duì)植物光合作用的研究，將為延長(zhǎng)人類的壽命、治療疾病提供一個(gè)嶄新的醫(yī)學(xué)發(fā)展途徑。對(duì)生物體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的研究，有可能使未來(lái)的建筑、產(chǎn)品改變模樣。使人們從“城市”這個(gè)人造物理環(huán)境中重新回歸“自然”。仿生設(shè)計(jì)亦可對(duì)人類的生命和健康造成巨大的影響。例如人們可以通過(guò)仿生技術(shù)，設(shè)計(jì)制造制造出人造器官，如血管、腎、骨膜、關(guān)節(jié)、食道、氣管、尿道、心臟、肝臟、血液、子宮、肺、胰、眼、耳以及人工細(xì)胞。

仿生設(shè)計(jì)學(xué)的研究方法

1、創(chuàng)造生物模型和技術(shù)模型首先從自然中選取研究對(duì)象，然后依此對(duì)象建立各種實(shí)體模型或虛擬模型，用各種技術(shù)手段（包括材料、工藝、計(jì)算機(jī)等）對(duì)它們進(jìn)行研究，做出定量的數(shù)學(xué)依據(jù)；通過(guò)對(duì)生物體和模型定性的、定量的分析，把生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可以利用在技術(shù)領(lǐng)域的抽象功能，并考慮用不同的物質(zhì)材料和工藝手段創(chuàng)造新的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。①?gòu)墓δ艹霭l(fā)、研究生物體結(jié)構(gòu)形態(tài)——制造生物模型。找到研究對(duì)象的生物原理，通過(guò)對(duì)生物的感知，形成對(duì)生物體的感性認(rèn)識(shí)。從功能出發(fā)，研究生物的結(jié)構(gòu)形態(tài)，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，除去無(wú)關(guān)因素，并加以簡(jiǎn)化，提出一個(gè)生物模型。對(duì)照生物原型進(jìn)行定性的分析，用模型模擬生物結(jié)構(gòu)原理。目的是研究生物體本身的結(jié)構(gòu)原理。

②從結(jié)構(gòu)形態(tài)出發(fā)，達(dá)到抽象功能——制造技術(shù)模型根據(jù)對(duì)生物體的分析，做出定量的數(shù)學(xué)依據(jù)，用各種技術(shù)手段（包括材料、工藝等）制造出可以在產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的技術(shù)模型。牢牢掌握量的尺度，從具象的形態(tài)和結(jié)構(gòu)中，抽象出功能原理。目的是研究和發(fā)展技術(shù)模型本身。

2、可行性分析與研究建立好模型后，開始對(duì)它們進(jìn)行各種可行性的分析與研究：①功能性分析找到研究對(duì)象的生物原理，通過(guò)對(duì)生物的感知，形成對(duì)生物體的感性認(rèn)識(shí)。從功能出發(fā)，對(duì)照生物原型進(jìn)行定性的分析。

②外部形態(tài)分析對(duì)生物體的外部形態(tài)分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此過(guò)程中重點(diǎn)考慮的是人機(jī)工學(xué)、寓意、材料與加工工藝等方面的問(wèn)題。③色彩分析進(jìn)行色彩的分析同時(shí)，亦要對(duì)生物的生活環(huán)境進(jìn)行分析，要研究為什么是這種色彩？在這一環(huán)境下這種色彩有什么功能？

④內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析研究生物的結(jié)構(gòu)形態(tài)，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，除去無(wú)關(guān)因素，并加以簡(jiǎn)化，通過(guò)分析，找出其在設(shè)計(jì)中值得借鑒合利用的地方。⑤運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析利用現(xiàn)有的高科技手段，對(duì)生物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，找出其運(yùn)動(dòng)的原理，針對(duì)性的解決設(shè)計(jì)工程中的問(wèn)題。產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)1形態(tài)仿生1）具象形態(tài)的仿生具象形態(tài)是真實(shí)的外界形態(tài)映入眼簾刺激神經(jīng)后，觀察者所感覺(jué)到的存在形態(tài)。由于具象形態(tài)具有很好的情趣性、可愛性、有機(jī)性、親和性、自然性，人們普遍樂(lè)于接受，在玩具、工藝品、日用品應(yīng)用比較多。但由于其形態(tài)的復(fù)雜性，很多工業(yè)產(chǎn)品不宜采用具象形態(tài)。設(shè)計(jì)案例：2）抽象仿生設(shè)計(jì)抽象的仿生形態(tài)具有以下特征：

---形態(tài)高度的簡(jiǎn)化性和概括性---形態(tài)豐富的聯(lián)想性和想象性---同一具象形態(tài)的抽象形態(tài)的多樣性功能仿生設(shè)計(jì)主要研究生物體和自然界物質(zhì)存在的功能原理，并用這些原理去改進(jìn)現(xiàn)有的或建造新的技術(shù)系統(tǒng)，以促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代或新產(chǎn)品的開發(fā)。

2功能仿生設(shè)計(jì)

蜻蜓的飛行原理與直升飛機(jī)高級(jí)研究用正置生物顯微鏡：內(nèi)置“復(fù)眼”照明，使數(shù)碼成像更為理想。昆蟲單復(fù)眼與生物顯微鏡

3、結(jié)構(gòu)和材料的仿生

人們?cè)凇胺律圃臁敝胁粌H是師法大自然，而且是學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)部的組織方式與運(yùn)行模式。有的結(jié)構(gòu)精巧，用材合理，符合自然的經(jīng)濟(jì)原則；有些甚至是根據(jù)某種數(shù)理法則形成的，合乎“以最少材料”構(gòu)成“最大合理空間”的要求。這些為人類提供了“優(yōu)良設(shè)計(jì)”的典范。

蜂巢與散熱器

有效散熱節(jié)省材料堅(jiān)固仿生設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1、視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)中的仿生應(yīng)用2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的仿生3、環(huán)境設(shè)計(jì)的仿生產(chǎn)品造型中的仿生設(shè)計(jì)1、仿生設(shè)計(jì)中的情感因素2、仿生設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則與造型趨勢(shì)圖形仿生中對(duì)形體輪廓的視覺(jué)認(rèn)知形態(tài)仿生中心理通感的形成意象仿生中的情感共鳴功能仿生對(duì)使用情境的塑造。全球著名仿生建筑美國(guó)科羅拉多州丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)

英國(guó)伯明翰塞爾福瑞吉百貨大樓荷蘭鹿特丹的“城市仙人掌”

波特蘭市的連跳商業(yè)中心“樹紋塔”摩天大樓由美國(guó)著名的環(huán)境設(shè)計(jì)大師、建筑師威廉·麥克多諾(WilliamMcDonough)設(shè)計(jì)?！皹浼y塔”使建筑可以像樹木一樣進(jìn)行光合作用，在設(shè)計(jì)中，充分利用太陽(yáng)能和自然光，不僅實(shí)現(xiàn)視覺(jué)上震撼效果，同時(shí)使得整個(gè)建筑物被環(huán)境所包圍，成為名副其實(shí)的綠色建筑。

瑞典馬爾默的“螺旋中心”大廈是斯堪的納維亞半島的最高建筑物，高189米，共有9個(gè)區(qū)層，每區(qū)層有5層，有152個(gè)單元，每區(qū)層都旋轉(zhuǎn)少許，使整棟大廈共旋轉(zhuǎn)90度。倫敦市政廳:這座建筑物全部使用了無(wú)污染的可回收的材料。

巴黎“防煙霧”大廈新科技中心，建筑所用的原料都是可回收可降解材料。這所建筑的功能非常完善，有公共場(chǎng)所、會(huì)議室、畫廊、餐廳和花園。采用太陽(yáng)能發(fā)電和光合作用凈化空氣.美國(guó)辛辛那提的“羅布林大橋坡度”大廈:頂層的傾斜坡度使用了仿生技術(shù)與周邊的自然環(huán)境相適應(yīng)，與著名的城市標(biāo)志羅布林大橋相配合。大廈的建筑色調(diào)充分反映出了城市和天空的搭配，同時(shí)，這所大廈還具有緩解交通壓力的功能。

哥斯達(dá)黎加“世界方舟”(ArkoftheWorld,CostaRica)使用可變形的金屬材料和使用先進(jìn)的“blob-like”流媒體圖像技術(shù)。這個(gè)建筑的基礎(chǔ)是一個(gè)球形，建筑師充分使建筑物與周圍自然環(huán)境進(jìn)行合理搭配。四、Bio-InspiredMaterials

(仿生材料)定義：受生物啟發(fā)或者模仿生物的各種特性而進(jìn)行的材料仿生或者過(guò)程的仿生。研究范圍：

1、生物材料的微結(jié)構(gòu)

2、生物組織形成的機(jī)制

3、結(jié)構(gòu)和過(guò)程的相互關(guān)系

4、新材料的設(shè)計(jì)與合成

四、TheCurrentofBio-InspiredMaterials

(仿生材料發(fā)展的現(xiàn)狀)20世紀(jì)90年代美英日等國(guó)投入專門力量進(jìn)行研究20世紀(jì)80年代，清華大學(xué)李恒德院士和北京大學(xué)王夔院士等在國(guó)內(nèi)開展了天然生物材料的微觀結(jié)構(gòu)以及生物礦化和病理礦化機(jī)理等方面的研究北航與中科院自動(dòng)化所研制出仿生機(jī)器魚，主要制造材料為玻璃鋼和纖維板。它的最高時(shí)速可達(dá)1.5米／秒，能夠在水下連續(xù)工作２小時(shí)～３小時(shí)。ChapterII:BiomimeticProcessforComponentsandStructures

1.ComponentsofBone2.Hydroxyapatite,HAFluorapatiteCa10(PO4)6F2ChlorapatiteCa10(PO4)6Cl2HydroxyapatiteCa10(PO4)6(OH)2PodoliteCa10(PO4)6CO3Carbonate-apatiteCa10(PO4,CO3)6(OH)2FrancoliteCa10(PO4,CO3)6(F,OH)2ComponentsofBoneFreshBone:InorganicSalts:65%(Ca2+:34%;P:15.2%)OrganicCompounds:25%Water:10%DriedBone:InorganicSalts:76.04%OrganicCompounds:23.96%Hydroxapatite(a,b)非晶磷酸鈣（ACP),磷酸八鈣（OCP),二水磷酸氫鈣(DCPD)ACP---OCP---HADCPD---HAHA*---HA2.Hydroxyapatite(HA)六方晶系，空間群為：P63/m,點(diǎn)陣常數(shù)：a=0.9423nm,c=0.6875nmApatite:M10(ZO)6X2BiomimeticMaterialsforComponentsofBone

(骨成份仿生材料)純羥基磷灰石材料：羥基磷灰石陶瓷（羥基磷灰石粉末、羥基磷灰石晶須、致密羥基磷灰石陶瓷以及多孔羥基磷灰石陶瓷羥基磷灰石復(fù)合材料：CaO,ZrO2,Al2O3,CaSO4,生物活性玻璃等羥基磷灰石薄膜：Ti和Ti合金、Co-Cr-Mn合金、不銹鋼、金屬等羥基磷灰石/有機(jī)物復(fù)合材料：PE,PMMA,Collagen等BoneRepair,BoneReplacement

（骨修復(fù)和替代材料)骨修復(fù)材料：

金屬、陶瓷、高分子和復(fù)合材料鈦基材料：商業(yè)純鈦、Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Fe,Ti-6Al-4Nb

鈷基（合金）材料：鑄造Co-Cr-Mo,Co-Cr-Ni-Mo,Co-Cr-W-Ni

不銹鋼（316L)

BiomimeticBone

Mimicbothcomposition

andnanostructureofbone

Preparesyntheticbone

prosthetics

Load-bearing

Bioresorbable

Enableregenerationofhard

tissueprostheticsinto

naturalbone.BiomimeticPreparationforMembrane

（仿生膜層制備)HA-（Ti-Al-V):人工牙齒、人工關(guān)節(jié)、人工長(zhǎng)骨等離子噴涂、離子鍍、磁控濺射、頻射濺射、脈沖激光趁機(jī)、電泳沉積、化學(xué)沉積、電化學(xué)沉積、金屬有機(jī)物CVD、熔膠凝膠法、熱等靜壓燒結(jié)等Lotusflower:selfcleaningfunctionbasedonastructurewithorganizationalhierarchy計(jì)算機(jī)模擬荷葉表面TheStructuresandStructuralBiomimeticsofNaturalBiomaterials

(天然生物材料的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)仿生)

具有不同尺度上的自組裝多級(jí)結(jié)構(gòu)，并具有不同尺度上的自組裝多級(jí)結(jié)構(gòu)，并且大部分屬于有機(jī)與無(wú)機(jī)的復(fù)合材料。且大部分屬于有機(jī)與無(wú)機(jī)的復(fù)合材料。特有的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致天然生物材料具有比合特有的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致天然生物材料具有比合成材料優(yōu)異的綜合性能。TheMicrostructureoftheShellandtheStructureBiomimeticsTheMicrostructureoftheShellGrowingModelsFracturesurfacethroughshellofMytilus

californicusAllCaCO3Prismaticlayer:calciteNacreouslayer:aragoniteTheMicrostructureoftheShellTheStructuralBiomimeticsoftheNacre仿珍珠層陶瓷增韌材料:B4C/Al(疊層)SiC石墨疊層熱壓成型SiC/Al疊層熱壓成型Al2O3/C纖維疊層熱壓燒結(jié)Si3N4.C纖維疊層熱壓燒結(jié)Al2O3/樹脂熱壓成型聚合物/陶瓷層狀復(fù)合材料：Al2O3/纖維增強(qiáng)樹枝層狀復(fù)合材料PMC/Al2O3/PMC層狀復(fù)合材料磷灰石/金屬、磷灰石/聚合物復(fù)合材料有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料CVD沉積聚合物/SiO2多層膜交替濺射有機(jī)溶液反應(yīng)涂覆無(wú)機(jī)材料表面等金屬/陶瓷層狀陶瓷金屬間化合物-金屬疊層材料金屬-聚合物疊層材料陶瓷-陶瓷疊層材料Bio-inspiredBone(仿生骨）Metal/HAHA/organicsyntheticmacromoleculesHA/naturalbiologicalmacromoleculesNano

bioinspiredbone骨仿生材料主要有以下三類：（1）羥基磷灰石/無(wú)機(jī)復(fù)合材料，其無(wú)機(jī)相主要是CaO、Al2O3、CaSO4等；（2）羥基磷灰石/有機(jī)復(fù)合材料，其有機(jī)相主要是膠原、聚乙烯、聚甲基丙烯酯甲酯等；（3）羥基磷灰石薄膜，基底主要是金屬，包括Ti、Co-Cr-Mo合金和不銹鋼等。由于人工仿骨材料一般采用有機(jī)高分子作為框架，對(duì)于負(fù)重部位的骨組織修復(fù)，其機(jī)械強(qiáng)度不能滿足要求。故在當(dāng)前的臨床應(yīng)用中，負(fù)重部位的骨組織修目復(fù)，仍采用金屬基材料。為了使其得到好的組織相容性，人們研究重點(diǎn)是對(duì)仿骨材料進(jìn)行仿生生物礦化[11]等表面處理與修飾。TheMicrostructureandBioinspiredFabricationofTooth牙齒牙的類型

乳牙:成年牙:

2032小臼牙臼牙犬牙門牙切牙前磨牙磨牙前磨牙切牙尖牙Tooth一、牙釉質(zhì)理化特性PhysicalcharacteristicsandChemicalpropertis1、物理特性：

分布，厚度：牙釉質(zhì)是覆蓋在牙冠的外表面，其厚度不等，但形成一個(gè)完整的護(hù)層，牙釉質(zhì)在不同部位其厚度不同。如在前磨牙和磨牙的牙尖部，釉質(zhì)最厚達(dá)2-2.5mm；而在牙頸部，釉質(zhì)卻薄如刀刃。這主要取決于功能的需要。硬度：由于釉質(zhì)內(nèi)的礦物鹽含量極高，而且它們的晶體以特殊的方式排列而成，使釉質(zhì)成為人體中最硬的鈣化組織，其硬度為努氏硬度值（Knoopnumber）300KHN.

顏色：牙釉質(zhì)本身是半透明如果牙釉質(zhì)薄而且透明度好，則所見到的牙齒呈淺黃色或黃白色。這是由于透過(guò)牙釉質(zhì)看到淡黃色的牙本質(zhì)。如果牙釉質(zhì)發(fā)育不好，透明度差，則牙齒呈乳白色或呈珍珠色。2、化學(xué)特性：

成熟釉質(zhì)內(nèi)有機(jī)成分、無(wú)機(jī)成分和水的構(gòu)成：重量百分比容積百分比無(wú)機(jī)成分：96-9786

有機(jī)成分：<12

水：312

有機(jī)成分：蛋白質(zhì)：目前認(rèn)為釉質(zhì)內(nèi)含有兩種蛋白質(zhì)：成釉蛋白（水溶性）amelogenin:分子量小含有較多脯氨酸和組氨酸。釉蛋白（非水溶性）enamelin:分子量較大，含有較多精氨酸，甘氨酸和天冬氨酸。蛋白質(zhì)系統(tǒng)。釉質(zhì)中有機(jī)物雖然很少，但對(duì)維持釉質(zhì)的生物學(xué)特性有著重要作用。無(wú)機(jī)成分：羥磷灰石晶體（hydroxyapatitecrystal）.

分子式為C10(PO4)6(OH)2

釉質(zhì)中還有許多微量元素：鎂，氟，鈉，鉀，鐵，錳，鍶，鋅，鉛等。水：釉質(zhì)中水的分布多圍繞羥磷灰石晶體的含水層，其余的水與有機(jī)質(zhì)密切結(jié)合，可能有助于某些離子通過(guò)，使釉質(zhì)具有滲透性。牙釉質(zhì)組織學(xué)結(jié)構(gòu)Histologicalstructure1、釉柱Rods

(1)釉柱的一般特點(diǎn)釉質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位為釉柱。不同的牙齒其釉柱的數(shù)目各不相同。釉柱從釉牙本質(zhì)界發(fā)出，延伸到牙齒表面，貫穿釉質(zhì)全層。直釉Straightenamel---靠近釉質(zhì)表面1/3絞釉Gnarledenamel----靠近釉牙本質(zhì)界2/3釉柱的排列方向：釉柱與牙本質(zhì)表面垂直，呈放射狀排列。(2)柱鞘:(3)釉柱橫紋:(4)釉柱超微結(jié)構(gòu):在電鏡下觀察，寬約40-90nm,厚約20-30nm，長(zhǎng)約160-1000nm。晶體的排列：釉柱的頭部：晶體互相平行排列，其長(zhǎng)軸平行于釉柱。釉柱的頸部至尾部：晶體長(zhǎng)軸逐漸偏離釉柱長(zhǎng)軸。2、無(wú)釉柱釉質(zhì)PrismlessenamelorRodlessenamel

分布：釉質(zhì)最內(nèi)層及多數(shù)乳牙和恒牙的表層約30μm厚。組織特點(diǎn)：其晶體互相平行排列與表面垂直。組織發(fā)生：內(nèi)層是由于早期成釉細(xì)胞無(wú)托姆斯突，分泌釉基質(zhì)無(wú)釉柱。外層是由于后期成釉細(xì)胞分泌釉基質(zhì)活動(dòng)停止及托姆斯突退化。成釉細(xì)胞托姆斯突分泌釉基質(zhì)并決定晶體排列方向。

Bioinspiredfabricationofenamel

：Laserirradiation(激光輻照)Bleachingprocess

Growthofenamel(牙釉質(zhì)的生長(zhǎng))

Performance(牙釉質(zhì)的性能):

Abrasion(磨耗性能)

Antacid(抗酸性能)

Mineralization(礦化性能)RemineralizationFigure1Needle-likeandflake-likecalciumphosphateprecipitationformedwithself-assemblyoligopeptideingelcarrier,SEM,1000×Figure2Needle-likeandflake-likecalciumphosphateprecipitationformedwithself-assemblyoligopeptideingelcarrier,TEM,17000×Figure3Rod-likecalciumphosphateprecipitationformedwithself-assemblyoligopeptideingelcarrier,thestarmarkerdemonstrateabundleofrod-likecrystals,TEM,61000×金鈀合金陶瓷純鈦鈦合金鉻合金銀汞合金

HairStructureandProteinEngineeringTheClassifiedStructureandFunctionofHair毛發(fā)的結(jié)構(gòu)（1）表皮由角質(zhì)結(jié)構(gòu)的魚鱗狀細(xì)胞順向發(fā)尾排列而成，一般毛發(fā)的表皮層由6—12層毛鱗片所包圍，保護(hù)頭發(fā)抗拒外來(lái)的傷害，如機(jī)械式的破壞。在頭發(fā)濕潤(rùn)時(shí)，表皮鱗片膨脹而易受到傷害。通常頭發(fā)在堿性狀況下，鱗片會(huì)張開。遇水會(huì)膨脹。（2）皮質(zhì)（3）髓質(zhì)

毛發(fā)由蛋白細(xì)胞和色素細(xì)胞所組成，占頭發(fā)的80%，是頭發(fā)的主體。纖維狀的皮質(zhì)細(xì)胞扭繞如麻花狀，從而給予其彈性，張力和韌性。它含有以下連接物：鹽健、氫健、硫健，頭發(fā)的物理性和化學(xué)性歸屬于這種纖維結(jié)構(gòu)。頭發(fā)的天然色即（麥拉寧因素）它存在于皮質(zhì)內(nèi)，是兩種色素構(gòu)成即黑色素、紅黃色素。而紅黃色素是由紅至黃排列。它們是決定于頭發(fā)的顏色因素。在毛發(fā)的最內(nèi)一層，被皮質(zhì)層細(xì)胞所包圍，成熟的頭發(fā)里才有的結(jié)構(gòu)，呈連續(xù)狀或斷續(xù)狀。髓質(zhì)層含硫量低，并且有一種特殊的物理結(jié)構(gòu)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的抵抗性特別強(qiáng)。毛發(fā)的結(jié)構(gòu)（橫切面）主要由α-螺旋結(jié)構(gòu)組成α-角蛋白三股右手α-螺旋向左纏繞形成初原纖維，初原纖維排列成“9+2”的電纜式結(jié)構(gòu)稱微原纖維，成百根微原纖維結(jié)合成大原纖微。燙發(fā)的生化基礎(chǔ)：α-角蛋白在濕熱條件下可以伸展為構(gòu)型，冷卻干燥時(shí)又可恢復(fù)α-角蛋白中的螺旋肽鏈間有很多二硫鍵，這是肽鏈恢復(fù)α-螺旋的主要力量燙發(fā)：頭發(fā)卷成一定形狀，涂上還原劑加熱，除去還原劑涂上氧化劑，洗滌冷卻頭發(fā)得到需要的卷曲發(fā)型鱗狀細(xì)胞scalecell皮層細(xì)胞Corticalcell初原纖維微原纖維大原纖維角蛋白分子內(nèi)的二硫鍵，二硫鍵的多寡與角蛋白的軟硬有關(guān)燙發(fā)原理化學(xué)燙發(fā)的原理：燙發(fā)劑有兩種，一類是含有巰基還原劑，一類是氧化劑。先用還原劑使毛發(fā)卷曲，再用氧化劑恢復(fù)二硫鍵，使卷曲固定。Hairstrength毛料衣服被蟲蛀的原因：一類蛾的幼中的消化液中有含有大量的巰基化合物，使毛料中α-角蛋白的二硫鍵還原成-SH，肽鏈之間的聚合被解除，肽鏈被消化。ProteinEngineering蛋白質(zhì)的分類根據(jù)蛋白質(zhì)分子的形狀分類根據(jù)蛋白質(zhì)分子的組成分類根據(jù)蛋白質(zhì)分子的功能分類單純蛋白質(zhì)按溶解度分類結(jié)合蛋白質(zhì)按輔基成分分類

球狀蛋白質(zhì)(globularprotein)纖維狀蛋白質(zhì)(fibrousprotein)通常長(zhǎng)軸與短軸之比小于10者為球狀蛋白質(zhì)，大于10者為纖維狀蛋白質(zhì)。

根據(jù)蛋白質(zhì)分子的形狀分類根據(jù)蛋白質(zhì)分子的組成分類單純蛋白質(zhì)(simpleprotein)：指結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在組成上基本是單純由氨基酸構(gòu)成的那些蛋白質(zhì)。結(jié)合蛋白質(zhì)(conjugatedprotein)：是指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由氨基酸和其他成分組成的那些蛋白質(zhì)。輔基：我們把結(jié)合蛋白質(zhì)中非蛋白質(zhì)部分稱為輔基(prostheticgroup)。根據(jù)蛋白質(zhì)分子的功能分類活性蛋白質(zhì)(activeprotein)：活性蛋白質(zhì)是指生命運(yùn)動(dòng)中一切有活性的蛋白質(zhì)及他們的前體（見下表）。活性蛋白質(zhì)占蛋白質(zhì)的絕大部分。非活性蛋白質(zhì)(passiveprotein)：非活性蛋白質(zhì)多擔(dān)負(fù)生物保護(hù)及支持作用，如膠原、角彈性蛋白、角蛋白、絲心蛋白等。蛋白質(zhì)可以分為兩種主要類型：纖維蛋白和球蛋白。

纖維蛋白一般是不溶于水的，延展的分子具有韌性。它們的主要功能是維持和支撐單個(gè)的細(xì)胞和整個(gè)的有機(jī)體。

-角蛋白和膠原蛋白是最常見的纖維蛋白，

-角蛋白是毛發(fā)和動(dòng)物尾巴的主要成分，而膠原蛋白是腱、皮膚、骨骼和牙齒的主要蛋白成分。

球蛋白是水溶性的、多肽鏈緊密折疊、輪廓上象一個(gè)球型的大分子。球蛋白典型特征是它有一個(gè)疏水的內(nèi)部環(huán)境和一個(gè)親水的表面。球蛋白一般都有一個(gè)裂隙，這個(gè)裂隙可以特異地識(shí)別和瞬間結(jié)合其它的化合物。球蛋白包括絕大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的催化劑－酶和具有其它功能的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)（高級(jí)結(jié)構(gòu)）：二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)（初級(jí)結(jié)構(gòu)）一級(jí)結(jié)構(gòu)：是共價(jià)連接的氨基酸殘基的序列，它描述的是蛋白質(zhì)的線性的（或一維）結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)：是通過(guò)肽鍵中的酰胺氮和羰基氧之間形成的氫鍵維持的，包括

-螺旋、

-折疊和轉(zhuǎn)角等。三級(jí)結(jié)構(gòu)：是指一條多肽鏈形成緊密的一個(gè)或多個(gè)球狀單位或結(jié)構(gòu)域，三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定依賴于非相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈的相互作用。四級(jí)結(jié)構(gòu)：并不是每個(gè)蛋白質(zhì)都具有的，只有那些是由兩條或兩條以上多肽鏈組成的蛋白質(zhì)才具有四級(jí)結(jié)構(gòu)，每一條肽鏈也稱之亞基，肽鏈可以是相同的，也可以是不同的。Pauling和Corey根據(jù)一些肽段的X-射線晶體圖的研究數(shù)據(jù)，提出了兩個(gè)周期性的多肽結(jié)構(gòu)：

-螺旋（

-helix）結(jié)構(gòu)

-折疊（

-sheet）結(jié)構(gòu)每一個(gè)氨基酸殘基繞螺旋軸上升0.15nm，每圈螺旋需要3.6個(gè)氨基酸殘基，它們繞螺旋軸上升的距離，即螺距為0.54nm。在

-螺旋中多肽鏈骨架的每個(gè)羰基氧（第n個(gè)氨基酸殘基）與它后面C-端方向的第四個(gè)殘基（n＋4）的

-氨基氮形成氫鍵。螺旋內(nèi)的氫鍵幾乎平行于螺旋的長(zhǎng)軸。0.54nm0.15nm

角蛋白來(lái)源于外胚層細(xì)胞，例如皮膚以及皮膚的衍生物：毛發(fā)、鱗、羽毛、蹄、角、爪等。角蛋白分為

-角蛋白和

-

角蛋白。毛發(fā)中的

-角蛋白的基本結(jié)構(gòu)單位是由4個(gè)右手

-螺旋組成的，它們彼此纏繞形成一個(gè)左手超螺旋的原纖維，9個(gè)原纖維圍繞其它2個(gè)原纖維排列形成微纖維。微纖維又組裝成巨原纖維。原纖維和巨原纖維都是通過(guò)二硫鍵交聯(lián)的，大大增加了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一根毛發(fā)周圍是一層鱗狀細(xì)胞，中間為皮質(zhì)細(xì)胞。皮質(zhì)細(xì)胞的橫斷面為20微米。毛發(fā)在濕熱條件下可以拉長(zhǎng)到原有長(zhǎng)度的2倍。

-折疊是由伸展的多肽鏈組成的

β-折疊是另外一種常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)，處于β-折疊的多肽鏈相對(duì)于α-螺旋來(lái)說(shuō)是肽鏈的一種伸展?fàn)顟B(tài)。分為平行（即兩條鏈都為N→C方向）和反平行式（一條鏈為N→C，另一條鏈為C→N方向），維持β-折疊穩(wěn)定性的力主要是相鄰肽鏈（平行或反平行）之間羰基氧與酰胺氫形成的氫健。在β-折疊結(jié)構(gòu)中，某個(gè)氨基酸殘基沿著鏈長(zhǎng)方向大約占據(jù)0.32nm~0.34nm距離。β-折疊（平行式）俯視圖側(cè)視圖β-折疊（反平行式）俯視圖側(cè)視圖

蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)是反平行排列的

-折疊。絲心蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有長(zhǎng)的重復(fù)序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly側(cè)鏈氫位于折疊平面的一側(cè)，而Ala和Ser的甲基側(cè)鏈和羥甲基側(cè)鏈位于折疊平面的另一側(cè)，堆積的折疊片靠側(cè)鏈之間的vander

Waals力結(jié)合在一起。PropertiesofProtein(1)PI(Isoelectricpoint)Precipitation

(2)Precipitation(沉淀作用)RelationshipbetweenDenaturationandprecipitation?Casein(酪蛋白),denaturedinboilingmilk,willnotbeprecipitated.Proteinisnotdenaturedbysaltingout(鹽析).Proteindenaturationiscommonlydefinedasanynoncovalentchangeinthestructureofaprotein.Thischangemayalterthesecondary,tertiaryorquaternarystructureofthemolecules.

(3)Denaturation(變性作用)影響蛋白質(zhì)變性的因素

（Factorsaffectingproteinsdenaturation

）–UV–heat–Heavymetals–pHchangesalterationoftheionizationstatesofaprotein,changingchargedistrubutionsandH-bonding–detergentsinterferewithhydrophobicinteractions–highconcentrationsofwatersolubleorganicsubstances(alcohol)alsointerferewithhydrophobicinteractionsLossofBiologicalActivity(失活)LossofSolubilityIncreasedProteolysis(蛋白水解)Mostnativeproteinsarequiteresistanttotheactionofproteolyticenzymes（水解酶）.Duringdigestion,proteinsareexposedtoextremesofpHtoaltertheirstructuresinsuchawayastoexposethepropergroupstoenzymemolecules.

Bioinformatics

TargetidentificationandcloningProteinexpressiontestProteinpurificationandproductionApplicationsPrincipleinProteinBiotechnologyBioinformatics:exploitationofthegenomeBioinformaticsiscentraltotheinterpretationandexploitationofthewealthofbiologicaldatageneratedingenomeprojectsExploitationofthewealthofinformationfromthegenomesofhumanandmodelorganismiscriticaltobiotechnologyresearchApplications:sequenceanalysisSearchforconserveddomainsproteinstructureanalysisCloningandexpressionoftargetgene:+RecombinantVectorGeneofInterestExpressionVectorExpressionofFusionProtein

ProteinEngineering

Deliberatedesignandproductionofproteinswithnoveloralteredstructureandproperties,thatarenotfoundinnaturalproteins.物理化學(xué)與生物化學(xué)等技術(shù)了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)誘變和重組技術(shù)DNA技術(shù)改造基因，以定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)的技術(shù)。WhyEngineeringProteins?

Tostudyproteinstructureandfunction

Applicationsinindustry(enzymes)andmedicine(drugs)--Newandimprovedproteinsarealwayswanted.Example:Extremophilicproteinshavebeenfoundinnature(temperatures,saltconcentrations,pHvalues)couldbeuseful.MethodsforproteinengineeringChemicalorGenetic?

根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定要求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。由于基因決定蛋白質(zhì)，要對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，必須從基因入手。途徑：

預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)出預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)用的氨基酸序列→設(shè)計(jì)DNA的脫氧核苷酸序列蛋白質(zhì)工程的基本原理根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定要求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。由于基因決定蛋白質(zhì)，要對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，必須從基因入手。途徑：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)出預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)用的氨基酸序列→設(shè)計(jì)DNA的脫氧核苷酸序列PCR技術(shù)是基因定點(diǎn)誘變的常用方法利用人工合成帶有突變點(diǎn)的誘變引物，通過(guò)PCR擴(kuò)增而獲得定點(diǎn)突變的基因，再通過(guò)基因工程的方法，將突變基因?qū)胧荏w細(xì)胞，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯合成所需的蛋白質(zhì)。PCR:PolymeraseChainReactionPCR:PolymeraseChainReactionProteinswithnewpropertiescanbeobtainedbyrandommutagenesisDNAincellsarerandomlymutated:chemicalmutagens(e.g.,hydroxyamine,sodiumbisulfite),enzymaticsynthesis,mutagenicstrainsofbacteria(withdeficientrepairingsystems).Canbeappliedwhenthecurrenttheoriesareinadequatetopredictwhichstructuralchangeswillgiveimprovementoncertainproperty.AppropriateproceduresforscreeningorselectingfordesiredpropertiesareneededProteinscanbeengineeredusing

sitedirectedmutagenesisNucleotideresiduestobemutatedneedtobefirstidentified:byusinginformationfrom3-Dstructure,homologycomparison,andetc.NucleotideandAminoacidresiduescanbereplaced,deletedoradded.PCRtechnologycanbeusedtocarryoutsite-specificmutagenesis**abcda*b*cd**A)B)C)利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息開發(fā)應(yīng)用定量確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系從混雜變異題庫(kù)中篩選具有特殊結(jié)構(gòu)功能關(guān)系的蛋白質(zhì)，有目的地在特定點(diǎn)位上使蛋白質(zhì)產(chǎn)生變異。根據(jù)已知結(jié)構(gòu)功能關(guān)系的蛋白質(zhì)，用人工方法合成他的便一體，完成人為控制蛋白質(zhì)的性質(zhì)。ResearchContentsofProteinEngineeringApplicationsinEngineeringProteins

Engineeringofindustrialenzymes

Re-designofsubstratespecificity(底物專一性）

Foldingandstability

Custom-designedproteins

Chimericprotein

constructionsNovelproteinsmaybegeneratedbydenovodesignComputerModelingGeneconstructionProteinproductioncharacterizationDenovodesignofproteins:Theattempttochooseanaminoacidsequencethatisunrelatedtoanynaturalsequence,butwillfoldintoadesired3-Dstructurewithdesiredproperties.蛛絲顯微結(jié)構(gòu)蛛絲顯微結(jié)構(gòu)悅目金蛛捕絲放大20倍的光學(xué)顯微鏡照片悅目金蛛拖絲放大4200倍的掃描電鏡照片大腹園蛛牽引絲的斷口大腹園蛛牽引絲的皮芯層斷面結(jié)構(gòu)人工生產(chǎn)蜘蛛絲:微生物寄主法動(dòng)物寄主法植物寄主法蠶寄主法蜘蛛絲的人工生產(chǎn)

蜘蛛絲具有十分優(yōu)良的性能，因此先得到這種蛋白質(zhì)或類似的蛋白質(zhì)，再進(jìn)行紡絲，制備人造蜘蛛絲，都是材料科學(xué)家長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。

1、微生物植物吐絲

此法是將蜘蛛絲基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌、酵母或植物上，通過(guò)細(xì)菌發(fā)酵的方法來(lái)獲得蜘蛛絲蛋白質(zhì)，再把這種蛋白質(zhì)從微孔中擠出，就可得到極細(xì)的絲線。這種細(xì)菌的繁殖工廠一旦成功建立，將對(duì)紡織服裝業(yè)產(chǎn)生革命性變革。然而由于種種原因，這種方法迄今沒(méi)有成功，主要因?yàn)橹瞥傻牡鞍踪|(zhì)水溶性很小，只能溶于甲酸，并需加入六氟異丙醇為稀釋劑，不能用水作溶劑進(jìn)一步加工。

2、牛羊乳蜘蛛絲

加拿大Nexia生物技術(shù)公司(NXB)試驗(yàn)了另一種方法，他們將蜘蛛絲基因注入山羊卵細(xì)胞中，制備了重組的蜘蛛絲蛋白質(zhì)，并用這種蛋白質(zhì)與水體系完成了環(huán)境友好紡絲過(guò)程，由于本質(zhì)上更接近于天然蜘蛛絲蛋白質(zhì)的組成和紡絲過(guò)程，從而成功模仿了蜘蛛，于2002年1月生產(chǎn)出世界上首例“人工蜘蛛絲”。

Nexia公司與美國(guó)陸軍戰(zhàn)士生物化學(xué)指揮部(SBCCOM)的科學(xué)家合作，采用金色圓網(wǎng)蜘蛛和十字圓蛛，作為基因的來(lái)源對(duì)哺乳動(dòng)物的兩種細(xì)胞進(jìn)行了轉(zhuǎn)基因處理。將蜘蛛絲基因注入山羊卵細(xì)胞中，這種轉(zhuǎn)基因山羊羊乳中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能都完全仿真于蜘蛛絲蛋白質(zhì)。重組蜘蛛絲蛋白質(zhì)的純度最高可達(dá)70％～90％，紡絲水溶液的質(zhì)量濃度為2．89／6～28％(質(zhì)量／體積)，所紡纖維直徑為8～40gm。紡絲采用的是一臺(tái)特制的微紡絲機(jī)，是由HarvardApparatus公司生產(chǎn)的樣機(jī)，紡絲液溶劑的體積是0．5ml，內(nèi)徑僅5mm。紡絲頭用PEEK的HPLC管(Sigma—Aldrich產(chǎn)品)代用，長(zhǎng)度6cm，內(nèi)徑0．125mm，紡絲液由一臺(tái)微型往復(fù)泵驅(qū)動(dòng)，這臺(tái)微紡絲機(jī)最少采用25μl紡絲液就可以工作，泵的流速為2～10μl／min，凝固浴組成為70％～80％的甲醇水溶液，初生絲第一次拉伸直接在凝固浴中進(jìn)行，如有需要可在水浴中進(jìn)行第二次拉伸，拉伸后在空氣中干燥。

第一代的BioSteel直徑比天然蜘蛛絲大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，據(jù)報(bào)道電紡蜘蛛絲可以達(dá)到真正的蜘蛛絲的細(xì)度。而天然蜘蛛絲具有皮芯層結(jié)構(gòu)，目前看來(lái)很難模仿。BioSteel生產(chǎn)與蜘蛛紡絲過(guò)程最大的差別還在于后者是液晶紡絲，在蜘蛛的絲腺中，可區(qū)分出長(zhǎng)度不同的蛋白質(zhì)，其分子質(zhì)量分別為120、150、190、250ku和750ku，濃度高達(dá)30％～50％，具有酸性，且成為液晶態(tài)的溶液。液晶的特征是粘度很低，只需很小的力即可發(fā)生形變，而成為絲狀，這也正是蜘蛛絲器的精巧之關(guān)鍵?？磥?lái)，人類還需經(jīng)過(guò)較大的努力，才能真正模仿蜘蛛，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的綠色高性能纖維生產(chǎn)。

Nexia公司科學(xué)家研究初期所用的哺乳動(dòng)物細(xì)胞取自乳牛，但是現(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)，采用山羊進(jìn)行轉(zhuǎn)基因處理更為有利。山羊有70000個(gè)基因，他們用轉(zhuǎn)基因工程的方法使山羊攜帶了一個(gè)蜘蛛絲的基因。2002年1月，Nexia正式宣布，有兩頭這樣的“BioSteel山羊”誕生，并被分別命名為webster和Peter。Nexia專利技術(shù)的基礎(chǔ)是蜘蛛絲的絲腺與山羊乳腺的細(xì)胞在解剖上有某種相似性，因而在差異極大的兩種動(dòng)物中的柱狀上皮細(xì)胞都可以大量制造水溶性的復(fù)雜的蛋白質(zhì)大分子。原則上可以用乳牛實(shí)現(xiàn)。Nexia的技術(shù)，但是山羊生長(zhǎng)更快、更容易。至2002年6月，Nexia和美國(guó)軍方合作，已經(jīng)繁殖出150頭轉(zhuǎn)基因山羊，飼養(yǎng)在紐約州P1attsbtlrgh的一個(gè)前空軍基地，并正加速發(fā)展。對(duì)牛乳和羊乳采用環(huán)境友好的加工，可以生產(chǎn)出極高性能的纖維，這在10年前均認(rèn)為只是一種幻想，今天，人造蜘蛛絲已經(jīng)問(wèn)世，成為當(dāng)代材料科學(xué)的一大奇跡。

蠶吐蜘蛛絲

此法利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)中“電穿孔”的方法，將蜘蛛牽引絲部分的基因注入只有半粒芝麻大的蠶卵中，使培育出來(lái)的家蠶分泌出含有牽引絲蛋白的蜘蛛絲。上海生化研究所的科技人員用此法歷經(jīng)數(shù)年攻關(guān)解決了轉(zhuǎn)基因蠶基因?qū)搿⒒钚曰蜩b定及傳代育種等一系列技術(shù)難題，此研究被列為國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，目前正在進(jìn)行。

蜘蛛絲的應(yīng)用

蜘蛛絲因其特殊而優(yōu)良的性能，在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

1、軍事

蜘蛛絲強(qiáng)度大、彈性好、柔軟、質(zhì)輕，尤其是具有吸收巨大能量的能力，非常適合防彈衣的制造，用蜘蛛絲做的防彈背心比用芳綸做的性能還好。也可以用于制造坦克和飛機(jī)的裝甲，以及軍事建筑物的“防彈衣”等。蜘蛛絲還可用于織造降落傘綢，這種降落傘重量輕、防纏繞、展開力強(qiáng)大、抗風(fēng)性能佳，堅(jiān)牢耐用。

2、航空航天

可用于結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料和宇航服裝等高強(qiáng)度材料。

ThebamboostructureanditsbioinspiredmaterialsBambooisasuperiorwoodsubstituteboards&panelspulp&paperoil&gascharcoalveneerclothcompo