仿生智能材料

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1、仿生智能材料一、仿生学1、仿生学概念2、生物材料与仿生材料二、智能材料1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的构成4、智能材料的应用一、仿生学1、仿生学概念人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。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15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自

2、海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻力系数。同样，尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型，阻力系数也仅为0.29。美国研发出一款举世无双的“海豚潜艇”，它不仅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一样时而潜入水中，时而跃出水面做出惊险刺激的翻腾动作。仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物的科学”。仿生学是一门生命科学、物质科学、信息科学、数学和工程技术等学科相互

3、渗透而结合成的一门边缘科学。2、生物材料和仿生材料自然界存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。生物材料通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是指生物医用材料(Biomedicalmaterials),其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。天然生物材料是经过亿万年的自然选择与进化，在细胞调制下形成的，其基本组成单元很平常，但材料的微观结构很复杂，具有空间上的分级结构，通常是两相或多相的复合材料，表现出人工合成材料无法比拟的

4、性能。生物体的启示：生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构（由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛的长度约1-2um、直径约60nm)；鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起仿生材料（Bio-inspired）：受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。二、智能材料1、什么是智能材料？材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对结构材料主要要

5、求其机械强度，而对功能材料侧重于其特有的功能。功能材料对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的敏感材料在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出适当的反应并产生相应动作的驱动材料20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。如果能把感知、驱动（执行）和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化。智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。智能材料(Intelligentmaterial，Smartmaterial)是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息，并进行判断、处理和作

6、出反应，以改变自身的结构与功能并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。智能材料需具备以下内涵：（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；（2）具有驱动功能，能够响应外界变化；（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；（4）反应比较灵敏、及时和恰当；（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本要素。智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。智能材料智能材料——在材料系统或结构中，可将

7、传感、控制和驱动三种职能集于一身，通过自身对信息的感知、采集、转换、传输和处理，发出指令并执行和完成相应的动作，从而赋予材料系统结构健康自诊断、偏差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功能和生物特征，以达到增强结构安全、降低能量消耗和提高整体性能的目的的一种材料系统和结构。2.智能材料的特征3.智能材料的基本结构智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。传感器执行器控制器智能机构材料自身能够探测到外部环境状态的变化能够自动地执行改变材料状态的指令能够对

8、探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令智能材料的构成智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。(1)基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。(2)敏感