仿生設計在結構和材料功能上的新發展論文

仿生設計在結構和材料功能上的新發展論文

　　0、引言

　　現在地球上已知的動物有 150 萬種，其結構和功能是完美地匹配在地球上的生存和生活，具有結構和功能的統一性。我們進行的仿生設計主要是為新的結構和新的功能材料提供新的使用方法和途徑，而向自然界學習是新材料獲取靈感來源之一。這些年來，仿生設計受到了越來越多的關注，無論是從外形、結構、還是材料的功能上，仿生設計都有新的研究進展。

　　 1、仿生結構與功能材料的研究

　　1. 1 光子晶體材料

　　自然界中很多礦物質或者生物在進化的過程中都擁有了非常絢麗的顏色，而這些顏色的形成并不全是因為色素，很多是由于其本身的結構。例如色彩繽紛的蛋白石就是由蛋白石的微觀結構而形成的絢麗外表。科學家模仿蛋白石的微觀結構，利用單分散無機膠體粒子、聚苯乙烯及其他膠體粒子的稀溶液通過自發沉淀得到人工蛋白石。蛋白石可以通過煅燒、溶劑解溶的手段得到反蛋白石，而反蛋白石有望通過電沉積技術制造導電聚合物光子晶體。對礦物或者生物中光子晶體的分子、微/納米結構的深入研究，可以啟發我們開發新一代的光學材料、儲存材料。

　　1. 2 仿生空心結構

　　自然界中很多動植物都采用了多通道的超細管狀結構，最為熟悉是植物的莖是由中空多通道微米管組成的，這種結構在保證了植物的強度前提下，節約了植物本身的材料，也便于運輸水分和養料。而鳥類的羽毛和一些寒冷地區動物的皮毛也是多通道的結構，使其具有隔熱性。根據生物的這種特性與優點，多個研究小組在積極地研制空心納米纖維。

　　1. 3 仿生離子通道

　　細胞膜上布滿了“運輸通道”,用以控制蛋白質的運輸，這種跨膜分為主動運輸和被動運輸，被動運輸通道就是離子通道。北京航空航天大學根據細胞膜的這種特性，利用 DNA 納米技術，將 DNA 分析和納米孔道結合，開發了仿生智能響應的人工離子通道體系。這種體系可以使得離子通道與其他納米器件的結合變得容易，并且可以組成更多復雜和多功能的復合納米器件。這種新的思路和方法，為生物分子篩選和淡水過濾膜提供了更多的可能性。

　　1. 4 仿生超強韌纖維材料

　　在電影《蜘蛛俠》中，蜘蛛俠的蜘蛛絲韌性和彈性都是非常好的，甚至超過了鋼絲。其實蜘蛛絲確實是在韌性和強度上超過鋼絲，而且還具有很好的耐低溫性和吸收振動的功能。蜘蛛絲是多級結構，一般是由原纖纖維束組成，而原纖由納米級的微原纖組成，微原纖是由蛋白質構成的高分子化合物。由于蜘蛛絲的這種特性，其在國防、軍事、建筑、醫學上都有很大發展前景，發達國家已經積極投入該領域的研究。另外已經研制出一種納米碳管，其拉伸強度與蜘蛛絲相同，但是它的韌性比蜘蛛絲高 3 倍，強過目前的天然纖維和人工合成纖維。

　　1. 5 仿生特殊浸泡性表面

　　蓮花具有“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的特性。這得益于其葉子具有超疏水性質和自清潔功能。1997 年德國生物學家發現這種自清潔的特性是由粗糙表面上微米結構的乳突以及表面疏水蠟質共同引起的。超疏水可以用于船體，使船體更加快速地航線； 超疏水也可以使“水上漂”成為可能。目前超疏水材料在郵輪的防油、防污處理，石油管道的輸送等領域，具有很大的發展前景。

　　1. 6 仿生高強超韌層狀復合材料

　　自然界中有很多堅硬的生物形態。例如貝殼、牙齒、蛋殼、硅藻等，這些都是無機礦物質形成的礦化材料。其中貝殼的珍珠層具有天然無機-有機層狀的獨特結構，這種生物復合材料的強度極高。同樣是天然的無機礦化材料，珍珠的這種特性主要是由于它獨特的微觀結構。假設我們用磚和泥建造珍珠層，那么磚就是碳酸鈣薄片，泥就是有機介質。這種結構方式是多尺度多級次的，在具有良好韌性的同時，分散了施加于貝殼表面的壓力，從而達到極高的強度�，F在人們對珍珠層的機理還處于初步認識的階段，還需要繼續對這種材料進行探究。珍珠層材料在航空、軍事、國防上的意義重大。

　　2、結語

　　仿生技術自 20 世紀 90 年以來已經取得了飛速的發展，很多研究成功已經滲透入各個領域。特別是納米技術的迅速發展使得我們在仿生研究上深入地揭示了生物材料宏觀性能與微觀結構之間的關系，從而為仿生技術的研究和發展提供了重要的理論依據。仿生結構的研究就是模仿自然而超越自己，為研究新的材料和新材料的功能提供了新的理念和新的途徑。

　　仿生結構與功能材料的研究對高新技術的發展起著重要的支撐和推動作用，在航空航天、國防軍事、醫學等領域都有不可估量的潛力。

　　參考文獻：

　　[1] 余聯慶，吳昌林，馬世平。 一種被動緩沖型腿機構及其緩沖特性分析[J]. 中國機械工程，2007（ 24） .

　　[2] 胡溧，黃其柏，周明剛，等。 基于動態結構的仿生設計新進展[J]. 噪聲與振動控制，2007（ 3） .

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