先进制造技术2-4

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1、先进制造技术机械工程学院曹春平第二章先进制造模式2.1概述2.2柔性制造FM2.3计算机集成制造CIMS2.4并行工程CE2.5敏捷制造AM2.6生物制造BM2.7绿色制造GM2.6生物制造2.6.1生物制造产生的背景2.6.2生物制造的基本概念2.6.3生物制造的发展方向2.6.1生物制造背景制造系统越来越复杂，突出表现出开放性、非平衡性、非线形、动态性、时变性、随机性和模糊性等特性；环境呼声越来越高，必须寻找绿色解决方案纳米机械的出现，要求提供超精密制造技术，常规制造技术难以为继；信息时代，随着系统规模增大和数据量激增，出现了组合爆炸问题；制造系统智能化问题也越来越重要2.6.2

2、生物制造概念“生物制造”(BionicManufacturing)，又称仿生制造工程，主要包含利用生物的功能进行制造（基因复制、生物去除和生物生长）及制造类生物或生物体。它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长与自进化等功能，以迅速响应市场需求并保护自然环境。生物制造工程将生命科学、材料科学及生物技术融入制造技术之中，为人类健康、保护环境和可持续发展做出巨大贡献。生物制造的概念生物制造的关键技术仿生设计学仿生设计学主要借鉴生物的某些特殊的功能，来改善我们的机器设计（如飞机，锯子等）仿生制造，也叫做生物制造，主要是利用生物的功能进行制造（基因复制、生物去除和生物生长）及制造类生物或生物

3、体。生物制造将生命科学、材料科学及生物技术溶入到制造技术中，为人类健康、保护环境和可持续发展做出巨大的贡献生物制造的概念生物制造的几个研究方向仿生设计与仿生制造智能仿生机械生物活性组织的工程化制造类生物智能体的制造生物遗传制造利用生物机能的去除或生长成形加工（1）仿生设计与仿生制造仿生设计与仿生制造，即对先进制造系统采用生物比喻的方法进行研究，以解决先进制造系统中的一些关键技术问题。作为一门独立的学科却是本世纪60年代后的事。美国空军军官J·E斯蒂尔少校1958年首创仿生学。仿生学研究如何制造具有生物特征的人工系统。模仿是仿生学的基础。枫树的果实借其翅状轮廓线外形旋转下落、飘飞得很远

4、，受此启发，便出现了陀螺飞翼式玩具，这是目前螺旋桨的雏型。现代飞行器的仿生原型来自天空中的飞鸟。生物非光滑表面脱附与仿生机械（2）智能仿生机械“微型苍蝇”，由美国加州大学伯克利分校电子工程系教授罗恩·费林博士主持研制的，其重量只有100毫克，身长不到3厘米。利用最先进的仿生学原理，仿造苍蝇制造出了这个微机械模型。尽管是个“小家伙”，却被人们冠以未来世界“超级间谍”的美名。(3)生物活性组织工程化制造主要研究包括人工骨、人造肺、肾、心脏、皮肤等的工程化制造方法。将组织工程材料与快速成形制造结合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生长单元的框架，在生长单元内注入生长因子，使各生长单

5、元并行生长以解决与人体相容性及个体的适配性以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。案例人工生物下颌骨的制造人体下颌骨不仅形状的个体差异大，而且骨骼外形对面部形状及工作性能的影响也很明显；传统的通用的金属植入体无法提供定制化外形的骨骼替代物，而且不具备活性，无法与邻接人骨自然弥合；纯粹的生物活性材料由于强度较低，易骨折；解决方案复合型的仿生植入体具有定制化形状的网状钛壳放置在钛支架空腔内的一种由改性糖制成的模拟人骨内部微观通道的三维网架包绕三维网架的磷酸钙骨水泥（CPC）以及与固化剂混合在一起并复合于CPC的骨形态发生蛋白制造过程仿生植入体钛框架的设计仿生植入体钛支架的制造三维仿生

6、网架的制造仿生植入体的复合仿生植入体框架的设计数据获取曲面重构及实体CAD快速原型制造方法准备CT方法获取数据钛支架及其延伸板的CAD造型快速原型方法制造植入体原型活性三维网架仿生下颌骨植入体（4）类生物体的制造借助各种性能超群的有机材料、生命科学技术、信息技术、制造技术等，制造类生物制造体。如：（1）利用可以通过控制含水量来控制伸缩的高分子材料，能够制成人工肌肉；（2）借鉴生命科学与生长技术，有望制造出分布式传感器、控制器和动作器为一体的、可与外部通信的、可受控的类生物智能体；（3）利用生物可降解材料，借助生长型制造方法制造出人工皮肤、人工器官；（4）依靠生物分子的生物化学作用，制

7、造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。（4）类生物智能体的制造美国南加利福尼亚大学研制的仿生视网膜薄片面积仅为４乘５毫米，相当于人眼正常视网膜的约三分之一。它由硅酮和铂材料制成，上面有１６个电极，植入后可附着在天然视网膜上，其工作原理是用电信号刺激患者还未完全丧失功能的视网膜细胞，将视觉信息通过视神经传递给大脑，从而部分恢复视力。（5）生物遗传制造依靠生物DNA的自我复制实现生物遗传制造，即利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位置不同的物理力