仿生结构及其功能材料
【摘要】种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度，实现了结构与功能的统一。近年来，仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注。本文介绍了光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧复合材料及仿骨材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状，并概要展望了其发展趋势。
【关键词】仿生合成，结构材料，功能材料
1. 引言
自然界中的动植物经过45亿年物竞天择的优化，其结构与功能已达到近乎完美的程度[1]。自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。在古代，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车；受草叶的齿形边缘的启发发明了锯；受蜘蛛网的启发发明了渔网，等等。近代，人们模仿鸟类飞行制造出飞机；模仿昆虫的单、复眼发明了复眼照相机；模仿蝙蝠回声定位发明了雷达；受响尾蛇的启发而发明红外线探测器；受海豚本能的启示而研究声纳；根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；通过对萤火虫和海蝇的发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等等。
一九六Ο年秋，在美国俄亥俄州召开了第一次仿生学讨论会，成为仿生学的正式诞生之日。仿生学一词是由美国斯梯尔(Jack Ellwood Steele)根据拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有……的性质”的意思)构成的。1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。它是研究生物系统的结构、性质、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。简言之，仿生学就是模仿生物的科学。
仿生学是在生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴科学。随着化学、材料学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展，仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展将是仿生学前沿的一个重要分支。利用新颖的受生物启发的合成策略和源于自然的仿生原理来仿生合成具有特定性能的有机、无机-有机杂化材料是近年来迅速崛起和飞速发展的领域，而且已成为化学、生命材料和物理等学科交叉研究的前沿热点之一[2~7]。
仿生合成（biomimetic synthesis）一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成，即受自然界生物的启示，模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程并应用到材料设计，以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料，或利用天然生物合成的方法获得所需材料[8]。
2. 仿生材料
材料是人类赖以生存和发展的重要基础，是直接推动社会发展的动力，材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。材料按其应用一般可以分为两大类：结构材料和功能材料。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料则主要利用其光、电、磁、声、热等特殊的物理、化学、生物学性能。
仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料[9]，其正向着复合化、智能化、能动化和环境化的趋势发展，给材料的制备及应用带来革命性进步。
目前仿生材料的制备方法可简单地归纳为以下两种：(1)通过制备与生物结构或形态相似的材料以替代天然材料，如光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿生物体骨骼等；(2)直接模仿生物的独特功能以获取人们所需要的新材料，如仿蜘蛛丝超韧纤维、仿荷叶超疏水材料、仿贝壳高强材料、仿壁虎脚高黏附性材料等。下面就近年来仿生结构及其功能材料方面的研究进展做进一步的叙述。
2.1 光子晶体材料
自然界中的某些矿物或生物经过进化形成了非常绚丽的结构色。例如，蝴蝶(图1(a)，(b))、鸟类(图1(c)，(d))，蛾子等许多有着非常绚丽的色彩，研究发现，这些色彩不一定是色素产生的，很大一部分与生物体的微观结构有关。自然赋予了生物不自觉运用光学原理的能力，它们通过最基本的光学原理对可见光作用，形成了多姿多彩的世界。电镜观察发现，这些美丽色彩的源头就在其表面的有机或无机介质的有序排列。它们的排列使得某一波段的光在其间发生干涉、衍射或散射等，过滤出特定波长的光，从而显示出美丽的色彩[10]。这其中最著名的是光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩(图1(e)，(f))。
Parker 等人[11]首次在甲虫(Pachyrhynchus argus)身上发现与蛋白石一样的光子晶体结构类似物，使其具有在任何方向都可见的金属光泽。模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体，如用粒径均匀的二氧化硅小球胶体溶液经由Edwardswilkinson 模型生长，得到了类蛋白石结构，均匀的二氧化硅小球层状排列，形成了明显的光子晶体(图2(a)) [12]。以SiO 2、聚苯乙烯等人工蛋白石为模板，通过煅烧、溶剂溶解等方法除去初始模板，可以得到排列规整的反蛋白石结构材料(图2(b)) [13]。
（a, b ）大闪蝶M. dididus (c, d) 孔雀 (e, f) 蛋白石 图1 自然界中有结构色的生物照片及其形成结构色的组成部分的SEM 图
顾忠泽等人[14]将聚苯乙烯微球与SiO 2纳米粒子超声分散，然后用玻璃片在其悬浮液中提拉成膜，空气中晾干后于450℃下煅烧除去聚合物，经氟硅烷修饰后可得到具有构造显色功能和超疏水特性的反蛋白石结构膜。最近，李垚研究组[15]在离子液体中，以聚苯乙烯胶体粒子为模板，采用电沉积技术制备了高度有序反蛋白石结构锗三维光子晶体，离子液体中的电沉积技术有望用来制备其他活泼金属(铝、硒、钽等)或导电聚合物光子晶体。在磁性光子晶体材料的制备方面，2006年，Lin-den 等人首次制备了一维磁性光子晶体，实现了纳米尺度下的光操控。这种新型的光子晶体材料由金线对(长100μm 、宽220 nm 、高20 nm)构成。金线对之间以50 nm 厚的氟化镁隔开，形成周期性排列的一维人造原子晶格，然后置放在用来导光的石英基板上，形成一维的磁性光子晶体[16]。Yin 研究小组在超顺磁性的纳米氧化铁(Fe 3O 4)颗粒表面包覆聚乙烯外壳，使纳米晶体在溶液中自聚集成胶质光子晶体。由于胶质团簇的纳米晶体很小，当磁场关闭后可以立刻失去磁性。因此，通过调整磁场强度以及磁体距离改变团簇间的晶格距离，可以实现胶质晶体的颜色在整个可见光谱区域内调控，整个过程迅速且可逆[17]。
矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用[18~20]。 2.2 仿生空心结构材料
自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构，例如：许多植物的茎都是中空的多通道微米管，这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料；为减轻重量以及保温，鸟类的羽毛也具有多通道管状结构(图3)；许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构，使其具有卓越的隔热性能。
夏幼南研究小组采用电纺技术，在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)-钛酸异丙酯(Ti(OiPr)4)-矿物油-乙醇(a)人造蛋白石的SEM 图 (b) 人造反蛋白石的SEM 图 图2 人工合成的光子晶体的SEM 图 图3 鸟类的羽毛的多通道管状结构
-乙酸体系制备了核-壳结构纳米纤维，经高温焙烧后即可得到单轴定向排列的空心TiO 2纳米纤维
[21]。采用电纺技术可以制备SiO 2、ZnO 、ZrO 2等空心纳米纤维材料[22~24]。江雷课题组近几年利用复合电纺丝技术，仿生制备了多通道TiO 2微纳米管，而且通过简单调控内流体的数目，可以精确得到与内流体相应数目的1，2，3，4，5通道微米管(图4)[25]。
2.3 仿生离子通道
生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输和主动运输两种方式。被动运输的通路称为离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质，广泛存在于各种细胞膜上，具有选择透过性。生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用，如生物能量转换，神经细胞膜电位的调控，细胞间的通信和信号传导等[26]。纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近，利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体，在分子水平上对组成和调控生命体系结构的离子、生物分子进行检测和分离，甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能，已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点[27]。
江雷课题组与其他科研院所合作开展了pH 值调控的核酸纳米舱研究。由于核酸四链结构形成的分子膜比较致密，可以阻止此空间中的小分子扩散到外部的溶液中，所以称此空间为核酸分子纳米舱。当改变溶液的pH 值使核酸的四链结构破坏时，致密的分子膜不再存在，核酸分子纳米舱中储存的小分子可以被释放到溶液中。由于核酸分子马达的可循环性，核酸纳米舱可以实现多次循环利用。此外，在适当交变电场的作用下，该核酸纳米容器的关闭时间可缩短到几十秒钟。这为深入利用核酸分子的结构可设计性，相互作用可设计性，以及协同运动的可设计性，提供了富有意义的探索途径[28]。此外，还研究了DNA 纳米软通道的非平衡开关的基本物理性质[29]，由于DNA 通道的柔性使开关直接受到通道内输运粒子产生的压力的调控，表现出类似于齿轮机制的动力学行为。利用朗之万方程和福克-普兰克方程等非平衡统计物理学原理构造了一套理论模型，提出并解决了DNA 纳米软通道和输运粒子耦合动力学行为。最近，在前期利用DNA 纳米技术构筑表面DNA 功能分子器件以及纳米孔道体系内电解质流体输运行为的理论与实验基础上，将DNA 分子与纳米孔道体系相结合，开发出了仿生智能响应的人工离子通道体系，通过生物分
图4 具有不同通道的微米管SEM 图(a)~(e)及三通道微米管的大面积SEM 图(f)[25] (a)~(e)分别为1，2，3，4，5通道TiO 2微米管的SEM 图
子的构象变化实现了合成孔道体系的开关功能[30]。首先在经单个高能重离子轰击的高分子材料的基底上，制备出尖端只有几个到几十个纳米的圆锥形单纳米孔道。然后将具有质子响应性的功能DNA分子马达接枝在纳米孔道内壁上，通过改变环境溶液的pH值，使DNA分子马达发生构象变化，完成通道的打开和关闭(图5)。这种新型的仿生离子通道体系弥补了蛋白质离子通道的不足，可以很容易地与其他微纳米器件结合，组成更为复杂和多功能化的复合型纳米器件。这不仅为新一代仿生智能纳米器件的设计和制备提供一种新的方法和思路，同时也为设计用于生物分子筛选和淡水过滤的选择性滤膜提供了重要参考依据。
图5 仿生智能响应人工离子通道体系构筑示意图[30]
(a)利用离子径迹刻蚀技术构筑纳米孔道过程示意图；
(b)无DNA接枝时纳米孔道的扫描电子显微镜照片；
(c)利用两部化学反应技术将DNA马达接枝到纳米孔道内壁；
(d)具有pH响应的分子马达示意图
2.4 仿生超强韧纤维材料
蜘蛛经过4亿年的进化使其所吐出的丝实现了结构与功能的统一。天然蜘蛛丝是世界上最结实、坚韧的纤维之一，在强度和弹性上都大大超过人类制成的钢和凯芙拉，即使是在拉伸10倍以上也不会断裂。据科学家计算，一根铅笔粗细的蜘蛛丝束，能够使一架正在飞行的波音747飞机停下来。与人造纤维相比，蜘蛛产生的纤维对人类与环境是友好的。蜘蛛丝还具有耐低温、信息传导、反射紫外线、良好的吸收振动性能和较高的干湿模量等性能[31, 32]。
一般来说，蜘蛛丝的直径约为几个微米(人发约为100μm)，并且具有典型的多级结构，它是由一些原纤的纤维束组成，原纤是几个厚度为纳米级的微原纤的集合体，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物[33, 34]。天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性，因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景，已成为当今纤维材料领域的热门课题[35~40]。
纳米碳管作为一维纳米材料，重量轻，具有良好的力学、电学和化学性能，这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证。Baughman研究小组通过纺丝技术成功将单壁纳米碳管(直径约1 nm)编织成超强纳米碳管/聚乙烯醇复合纤维(含60％纳米碳管) [41]。这种纳米碳管复合纤维具有良好的强度和韧性，其拉伸强度与蜘蛛丝相同，但其韧性高于目前所有的天然纤维和人工合成纤维材料，比天然蜘蛛丝高3倍，比凯芙拉纤维强17倍。蜘蛛具有良
好的力学性能，主要是因为它含有许多纳米尺寸的结晶体，这些微小的晶体呈定向排列，分散在蜘蛛丝蛋白质基质中起到了很好的增强作用。Mckinley研究小组通过模仿蜘蛛丝的特殊结构，将层状堆叠的纳米级黏土薄片(laponite)嵌入到聚氨酯弹性体(elasthane)，制备了一种同时具有良好弹性和韧性的纳米复合材料[42]。
研究发现，自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极少量金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等)，以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能。例如，一些昆虫身上最坚硬的角质层部位(如切叶蚁、蝗虫和沙蚕的颚等)Zn的含量特别高。受此启发，最近，Knez研究小组采用改进的原子层沉积处理技术，不仅在蜘蛛牵引丝表面沉积上一层Zn、Ti或Al 的氧化物涂层，而且一些金属离子会透过纤维并与蜘蛛牵引丝蛋白进行反应。少量金属元素的加入极大地提高了天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力，增强了蜘蛛丝的韧性[43]。该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料，包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义。
2.5 仿生特殊浸润性表面
自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能，如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性；昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等。通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一。自然界中的某些植物叶表面具有超疏水性质和自清洁功能，最典型的是荷叶表面，又称为荷叶效应[44]。研究发现[44, 45]，荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水性能，这使其能轻易的使水滴在表面形成水珠，水珠在荷叶表面具有较大的接触角及较小的滚动角，通过重力作用自然滚落，同时带走叶面上的污染物，达到自洁。水黾可以在水面上自由行走，研究发现水黾的这种本领，来源于其腿部数千根同向排列的多层微米尺寸刚毛。这些刚毛使水黾的腿能够在水中划出多倍于己的水量，从而使其具有非凡的浮力，这种浮力让水黾可以沉着应对各种恶劣的自然环境而永不沉没(图6)[46]。此外，蝴蝶翅膀是由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上又分布着排列整齐的纳米条带结构，而每个纳米条带由倾斜的周期性片层堆积而成。这种特殊微观结构导致蝴蝶翅膀表面具有各向异性的浸润性[47]。
图6 水黾腿的超疏水性，其中(a, b)水黾及其腿部在水中；(c, d) 水黾腿部SEM图
固体表面的特殊浸润性包括超疏水、超亲水、超疏油、超亲油，将这4种浸润特性进行多元组合，可以实现智能化的协同、开关和分离材料的制备。从基础科学角度，影响固体表面浸润性的因素主要有两个[1]：一是表面化学组成(表面自由能)，二是表面微观结构(粗糙度)。随着人们对自然界中特殊浸润性表面的深入研究，有关特殊浸润性表面的制备方法不断涌现[48~52]。仿生超疏水性表面可以通过两种方法实现：一种方法是在粗糙表面上修饰低表面能的物质；另一种方法是利用疏水材料来构建表面粗糙结构。受生物体特殊浸润性表面启发，江雷课题组仿生制备了一系列具有微/纳多级结构的超疏水表面。如：采用电纺技术，制备出具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水薄膜材料[53]；利用化学气相沉积法制备了蜂房状、柱状、岛状结构的超疏水阵列纳米碳管[54]；采用模板挤压法分别制备了具有超疏水特性的阵列聚丙烯腈纳米纤维[55]和阵列聚乙烯醇纤维材料[56]；采用具有含氟长链的有机酸为掺杂剂，制备了具有超疏水特性的类红毛丹结构聚苯胺空心微球材料[57]；利用静电纺丝技术，仿生制备了具有类荷叶结构的聚苯胺/聚苯乙烯复合膜，该复合膜表现出高导电性和自清洁效应，并对酸碱溶液、腐蚀性氧化剂和还原剂表现出优异的超疏水特性和稳定的导电性[58]，等等。
2.6 仿生高强超韧材料及仿骨材料
自然界有许多结构组织完美和性能优异的生物矿化材料，如贝壳、珍珠、蛋壳、硅藻、牙齿、骨骼等。生物矿化是一个十分复杂的过程，其重要特征之一是无机矿物在超分子模板的调控下成核和生长，最终形成具有特殊组装方式和多级结构特点的生物矿化材料，在生物矿化过程中，生物矿物的形貌、尺寸、取向以及结构等受生物大分子在内的有机组分的精巧调控[59,60]。利用生物矿化原理可指导人们仿生合成从介观尺度到宏观尺度的多种仿生材料。
在众多的天然生物矿化材料中，贝壳的珍珠层由于具有独特的结构、极高的强度和良好的韧性而备受关注[61~63]。贝壳珍珠层是一种天然的无机-有机层状生物复合材料，它是由碳酸钙(约占95%)和少量有机基质(约占5%)组成。整个贝壳体系的抗张强度是普通碳酸钙的3000多倍。这种良好的力学性能归因于珍珠层独特的微观结构，即以碳酸钙薄片为“砖”，以有机介质为“泥”，形成多尺度、多级次组装结构（如图7）。一方面，有机基质犹如水泥一样，将碳酸钙薄片牢牢的黏结在一起；另一方面，这样的特殊结构可以有效地分散施加于贝壳上的压力，从而使贝壳显示良好的力学性能。
(a)双壳类N. Pompilius 贝壳珍珠质结构的SEM图(b)这种珍珠质结构组成的示意图
图7 贝壳珍珠质层中有机无机杂化等级结构的SEM图及示意图
脊椎动物的骨是天然有机-无机复合材料，主要由水、有机物和无机盐组成。有机物中约90％是胶原蛋白，还有少量的非胶原蛋白、多糖和酯类等。无机盐中磷酸钙类矿物占骨质量的60％~70％，最主要的是羟基磷灰石(HA，Ca10(PO4)6(OH)2)，此外还存在缺钙磷灰石[CDHA，Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x]和磷酸八钙[OCP，Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O]等[64]。
人工合成的HA在组成和结构上与人体硬组织骨骼和牙齿等一致，在骨科方面，HA材料植入骨组织不仅无毒、安全，还能诱导骨生长，新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长，与组织形成化学键合，具有良好的生物相容性和生物活性，是目前最有吸引力的硬组织替换材料[65~68]，已广泛应用于骨外科和牙科的受损修复，如骨缺陷填充和金属植入物涂层[69~71]；在齿科方面，HA可用于生产人工齿根和牙膏[72]，它能吸附葡聚糖蛋白质、氨基酸和体液，可用于牙膏添加剂，临床研究表明，HA牙膏能促进牙齿再矿化、有效地防治牙龈炎和牙槽炎[73]。随着材料学、生物医学、组织工程学、信息学等学科发展，越来越多的和自然骨结构和性能相似的骨替代材料出现并被应用于临床。
此外，人工合成的HA在其他领域也有广泛应用，如球形HA有流动性好、比表面积大、亲和性好、在生物体内易吸收等特性，不仅可以用于高效色谱分离提纯蛋白质、酶、核酸等生物大分子，还能吸附并回收利用地方饮用水中过量的氟离子和工业废水中的重金属离子[74, 75]，是一种新型的环境功能矿物材料；HA粒子的粒径小、比表面积大，可用于运载抗生素[76]，蛋白质[77, 78]，抗凝血剂[79, 80]和药物载体[81~83]，且能延长药物释放时间[84]，还可作为气敏元件[85, 86]，具有温度敏感、湿度敏感效应，是绿色环保材料和智能材料。
HA的广泛应用促进了HA的制备研究，在这些应用研究工作中，合成尺寸可控、分散性好、稳定性高、高纯度的HA纳米粒子成为生物医用材料领域中的重要课题。我们课题组在调控HA 形貌方面已取得一些喜人的成绩，如：肖秀峰等[87]以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)3PO4·3H2O为反应物、硫酸软骨素(ChS)为模板，在较低浓度的ChS时制得短纤维状HA，当浓度提高到0.5％ChS时得到片状HA。何丹等[88]依据生物矿化的原理，在6%的双氧水溶液中以壳聚糖为模板仿生合成梭状纳米HA。刘芳等[89]以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)3PO4·3H2O为原料，聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为模板，采用生物矿化法成功地合成分散均匀、粒径在15 nm左右的球状纳米羟基磷灰石(HA)，等等。
a
b
c
图8 不同条件下合成的HA样品的TEM照片
(a)无调控剂、无水热处理; (b)无调控剂、150 ℃下水热5h; (c) 2% β-环糊精、150 ℃下水热5h
a b
c
图9不同pH值下以2%β-环糊精为模板制备的HA样品的TEM照片
(a) pH=6; (b) pH=8; (c) pH=9
2.7 仿生高黏附材料
壁虎能攀爬极平滑或垂直的表面，甚至能倒悬挂于天花板或墙壁表面。Full研究小组[90]虎脚底的特殊黏附力进行研究，发现壁虎的每只脚底大约有50万根极细的刚毛，刚毛直径约5μm，长度约30~130μm，每根刚毛末端大约有400~1000根更细的分支(绒毛)，这些绒毛直径大约0.2~0.5μm[91~93]。这种微-纳米多级结构使得刚毛与物体表面分子能够近距离接触，产生的“范德华力”足以支持整个身体，使壁虎倒挂天花板。实验表明，100万根刚毛可以支持1225 N的力[94~96]。壁虎脚趾的这种黏附结构还具有自洁、附着力大、可反复使用以及对任意形貌的未知材料表面具有良好的适应性等优点[97]。
受壁虎脚趾特殊微观结构及性能的启发，国内外众多课题组相继开展了仿壁虎脚高黏附材料的研究。相继合成出仿壁虎脚高黏附材料-阵列聚苯乙烯(PS)纳米管膜[98]，垂直排列的单壁纳米碳管阵列[99]，多尺度结构的多壁纳米碳管阵列[100]，纳米碳管仿生壁虎脚材料[101]，等等。2007年，Messersmith研究小组研制了一种能在水下发挥作用的“壁虎胶水”[102]。其方法是将壁虎脚一样的特殊微/纳米结构与贻贝所采用的进行水下黏附的化学方法相结合，所获得的杂合型黏合剂(由一系列利用浸渍-提拉方法涂有多巴胺的小柱子组成，这种聚合物类似于贻贝的黏性蛋白)在湿态和干态都表现出惊人的可逆黏附性，黏附周期超过1000次。
图11一个4 mm×4 mm的纳米碳管阵列自吸附在玻璃表面上悬挂一本1480 g的书
(a)及不同放大倍数下纳米碳管阵列的扫描电子显微镜照片(b)，(c)[101]
2.8 其他仿生材料
海参通常是柔软而富有弹性的，呈柔软的凝胶状，但当它受到威胁或刺激时，它能够使自己的身体在很短时间内变硬。这种特殊的“转换效果”是由于海参表皮层含有易变胶原纤维组织(mutable colla-genous tissue)，其表皮硬度可以通过控制相邻胶原纤维间的应力传递实现调控，而效应细胞所分泌的水溶性大分子可以控制相邻胶原纤维间的相互作用[103]。受此启发，美国西储大学Weder教授等人利用环氧乙烷、环氧氯丙烷、纤维素纳米纤维等材料制备了仿海参结构的纳米复合体材料，该材料可以像海参一样在几秒钟内实现僵硬与松软状态之间转换。当加入引起氢键结合的溶剂后，该溶剂打断了纳米纤维(晶须)之间的键合，因而使材料变软；当溶剂挥发后，晶须之间的网络结构会重新形成，使该材料变硬[104]。
洪堡巨鱿(Dosidicus gigas)的喙状嘴是已知的完全由有机材料组成的最坚硬的物质之一。最近，Waite等人对该鱿鱼的喙状嘴进行了研究，发现洪堡巨鱿喙状嘴切割端虽然非常坚硬，但是它在越靠近喙状嘴附着的柔软肌肉组织时，会变得越来越柔软，而且其可弯曲性也越来越大。通过对喙状嘴的每一节段特定化学组成的测定，并在每一点上将其与喙状嘴的力学性质进行配对，发现喙状嘴的坚硬程度是通过控制几丁质、水、含多巴蛋白质的比例来实现的[105]。该生物材料结构与性能的揭示，为仿鱿鱼喙状嘴人工材料的制备提供了重要理论指导[106]。
3.结论与展望
仿生材料自20世纪90年代发展以来所取得的成就以及对各个领域的影响和渗透一直引人关
注。尤其是纳米科学技术的迅速发展使仿生研究实现了在原子、分子、纳米及微米尺度上深入揭示生物材料优异宏观性能与特殊微观结构之间的关系，从而为仿生材料的制备提供了重要支撑。随着材料学、化学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展，仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展，实现结构与功能一体化将是仿生材料研究前沿的重要分支。以二元协同纳米界面材料为设计思想，将仿生科学与纳米科学相结合，开展仿生结构、功能及结构-功能一体化材料的研究具有重要的科学意义，它将认识自然、模仿自然、在某一侧面超越自然有机结合；将结构及功能的协同互补有机结合；并在基础学科和应用技术之间架起了一座桥梁，为新型结构、功能及结构-功能一体化材料的设计、制备和加工提供了新概念、新原理、新方法和新途径。仿生结构及其功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，并将在航空、航天、国防等领域具有广阔的应用前景。
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Research on biomimetic structural and functional materials
Abstract: After four and a half billion years’evolution and natural selection，creatures in Nature possess almost perfect structures and properties，exhibit harmonization and unification between structure and function. Recently，much attention has been paid to biomimetic structural and functional materials. In this paper，we introducew the research status of typical biomimetic materials，such as photonic crystals，hollow structured materials，ion channels，fiber materials with enhanced strength and toughness，the surfaces with special wettabilities，ultra-strong and imitation bone materials，high adhesive force materials，and other biomimetic materials. The research prospects and directions are also briefly addressed.
Keywords: biomimetic synthesis, structural materials, functional materials
仿生技术及其应用
一、仿生学的诞生 ?人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究， 促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。 生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。 于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。 ?简言之，仿生学就是模仿生物的科学
二、仿生技术发展 现代仿生学已经延伸到很多领域，它的发展需要生物学、物理学、化学、医学、数学、材料学、机械学、动力学、控制论、航空、航天和航海工程等众多学科领域工作者的合作；反过来，仿生学的发展叉可以推动这些学科的进步。自20世纪60年代初仿生学诞生以来，仿生技术已得到迅速发展，在军事、医学、工业、建筑业、信息产业等系统获得了广泛应用，如仿生技术已成功地应用于精密雷达、声纳、导弹制导、机器人等领域中。
三、仿生技术分类及主要研究内容 ?仿生技术归纳为：结构仿生、功能仿生、材料仿生、力学仿生、控制仿生等类别。 ?1、结构仿生 ?结构仿生(Bionic Structure)是通过研究生物肌体的构造，建造 ?类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。 ?1．昆虫仿生：模仿昆虫独特的形体结构和运动方式。 ?2．蛇类仿生：模仿蛇类运动的高冗余自由度。 ?3．变形虫仿生：模仿变形虫形体的几何可变性和自重构。 ?4．人体仿生：模仿人体的高度灵活性和功能复杂性。
仿生材料研究进展(讲义) Research Progress of biomimetic materials 仿生学（Bionics）诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文[1]，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索[2-6]。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。但人们往往狭义地理解“mimetic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料(Biomimetic Materials)。这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。 一、天然生物材料与生物医学材料 天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，具有独特的结构和优异的性能。通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合成决定于遗传基因，即RNA〈核糖核酸〉中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基酸[7]。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”，可以改变某些碱基对的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，因此将会作为功能材料和结构材料得到应用。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场[8]。 据统计，被详细研究过的生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科的各个领域，在医学临床上应用的就有几十种。用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料被称为生物医学材料〈Biomedical Materials〉[9]。根据材料的生物性能，可分为生物惰性材料(Bioinert Materials)与生物活性材料(Bioactive Materials)两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，后者则能诱发出特殊生物反应，导致组织和材料之间形成键接，或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材料的组成又可分为：生物医学金属材料(Biomedical Metallic Materials)，生物医学高分子材料（Biomedical Polymer），生物陶瓷（Biomedical Ceramics），生物医学复合材料（Biomedical Composites），生物衍生材料(Biologically Derived Materials)等。生物医学材料要直接与生物系统结合，除应满足各种生物功能和理化性能要求外，还必须具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身的效能和使用寿命。医学临床对所
新型功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。 1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等
仿生学应用综述 仿生学是一门既古老又年轻的学科。人们研究生物体结构与功能的工作原理，并根据这些原理发明出新的设备和工具，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术。某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。 仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 仿生学在很多方面都有应用，对当今的科学技术发展提供了源源不断的动力。以下就是一些精彩的案例。 我们学校以纺织专业著称，而一种好的纺织材料是大家都追求的。在这方面，科学家也进行过研究。比如， 蜘蛛丝仿生材料概述及应用 采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域.天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高), 为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表 现出广阔应用前景.受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料 的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计
方法。1.材料学院无机非1302班武艳琪1310220226。 生活中一些微不足道的事物也会成为仿生学的应用。比如小小的苍蝇。苍蝇为人类做出了的伟大的贡献。令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。另外苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是个“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶2. 39
仿生结构及其功能材料研究进展 摘要本文结合作者课题组的相关工作, 就多种仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势. 关键词仿生合成结构材料功能材料智能材料浸润性离子通道 1.光子晶体材料 光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩.模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体. 矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用. 2.仿生空心结构材料 自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管, 这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能. 3.仿生离子通道材料 生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式. 被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵. 离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性. 生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等[26]. 纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点. 4.仿生超强韧纤维材料 天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景. 随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证. 研究发现, 自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极为少量的金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等), 以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能. 受此启发, 采用改进的原子层沉积处理技术,提高天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强蜘蛛丝的韧性. 该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义. 5.仿生特殊浸润性表面 自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等. 通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一.
仿生材料学 自然界中的动植物经过45亿年物竞天择的优化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。由于仿生材料的优良特性，在世界各地各个领域得到了广泛的应用。所以，如何以材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并且用以设计和制造先进的复合材料是当前国际上材料研究的一大热点。 仿生材料是指模仿生物的各个特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。而仿生材料的设计不仅要模拟生物对象的结构，更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合，对于推动材料科学的发展有重大意义。 如今仿生材料的应用非常广泛。在医学、能源、建筑、军事等领域都有应用。可以说，仿生学已经融入到我们的生活中了。就拿我们材料成型专业来说，对于汽车外壳的设计就要用到仿生学，通过模仿鸟的流线体型可以达到减小阻力的目的，这样设计出来的车子能够跑得更快，耗能更少。受自然界荷叶效应的启发，通过在漆膜表面喷砂，植入纳米二氧化硅低表面能氟修饰获得了表面均匀程度良好的超疏水表面，这种表面很好的起到了荷叶“出淤泥而不染”的特性，有着很好的防水性能和清洁性能。现在的高强度材料就是运用了仿生学的原理，模仿蜂房的形状，做出的材料结构不仅强度高，塑性也非常好，有些仿生材料的强度甚至比钢铁还强几百倍。蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，鳞片自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究，为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。这些都是材料仿生的应用，可以说材料仿生学小到普通人的生活，大到宇宙开发探索都起着重要的推动作用。 大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学——和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构。因此，要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。 重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。仿生学将为我国科学技术创新提供新思路、新原理和新理论。为适应我国科学和技术源头创新的需要，进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展，我们材料学者应以积极主动的姿态学习世界前沿的科学知识，开发出更有前景、更有科技含量的仿生材料。
《功能材料概论》期末小论文 浅谈仿生功能材料 摘要：随着人民生活质量的进一步改善和提高 ,人们的生活对各种科学技术的要求也不断提高，而许多科技产品的发展都需要新型材料的支持，而新型功能材料正好能为科技提供发展基础。什么是功能材料？功能材料具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，有特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场,从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。下面我想谈谈功能材料的一个分支-----仿生功能材料 一、什么是仿生功能材料？ 仿生功能材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。自然界中存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。我们通过研究他们的特点特性，制造我们能使用的材料，例如研究萤火虫发明人工冷光、研究电鱼发明伏特电池；研究苍耳属植物发明尼龙搭扣、研究鲨鱼发明特质泳衣…… 二、仿生功能材料的基本原理 现实生活中我们接触过许多动物与植物，例如屹立几百年而不倒的大树；几乎不发热量的冷血昆虫，而地球上所有生物都是由一些简单且廉价的无机和有机材料通过组装而形成，他们仅仅利用极少的几种元素，主要是碳、氢、氧、氮等组合而成，便能发挥出多种多样的功能，这实在令人叹服！在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同，迄今为止，再高明的材料科学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋中长出的色彩斑斓、坚固又不被海水腐蚀的贝壳。如果我们眼光投向生物体的材料构造与形成过程，在充分的理解生物现象之后，用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来设计与制作适合人类生活所需的材料。 三、仿生功能材料的运用举例及原理 1、自清洁玻璃
第1章绪论 1、什么是生物材料 答：目前认为：生物材料为一种与生物系统相互接触，用以诊治组织/器官疾患，替换病损组织/器官，或者改善其形态或增进其功能的材料，包括生物源性材料和生物医用材料。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物。 2、生物材料的类别 答：生物材料的类别如下： （1）按材料属性：医用金属材料、医用无机材料、医用高分子材料、医用复合材料…（2）按材料功能：硬组织材料、软组织材料、血液相容性材料、生物降解材料… （3）按材料来源：组织衍生材料、天然生物材料、人工合成材料 （4）按材料用途：骨科材料、心血管材料、血液透析材料、整形美容材料… 3、生物材料应用现状 答：生物材料应用现状如下： （1）软组织植入材料：医用缝合线（蚕丝、尼龙、羊肠(胶原)、聚酯…）、止血海绵、人工乳房植入体（石蜡、硅酮油、聚丙烯酰胺、聚乙烯海绵体、硅胶袋（内装硅凝胶或生理盐水）…）、经皮植入体、皮肤植入体、颚面植入体、眼耳植入体、血管植入材料、人工心脏瓣膜…（2）硬组织修复与替代材料：接骨板、人工关节、金属丝、螺钉、髓内钉、脊柱固定器件、牙根植入体、齿科材料等… （3）人工器官：人工肾(血液透析仪)、人工心脏、人工肺… （4）组织工程产品：皮肤、骨、软骨、膀胱、神经（壳聚糖、聚乙醇酸） 第2章生物大分子 1、生物大分子概念和种类 答：生物大分子概念：是生物体的重要组成成分，是一类具有生物功能、分子量较大、结构也比较复杂的天然高分子，同时也是一类非常重要的生物材料来源。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物 2、胶原蛋白的特点及稳定构象，丝素蛋白的特点及稳定的构象 答：（1）胶原蛋白： 特点：耐湿热，生物相容性良好，生物可降解，经过处理可消除抗原性，能促进组织恢复，无异物反应 稳定构象：三股螺旋和球形 （2）丝素蛋白 特点：来源广泛、生物相容性良好，力学性能优良，血液相容性相对较好，可以缓慢降解，溶解性（浓的中性盐溶液） 稳定构象：反平行折叠链构象 第3章&第12章生物矿化和仿生材料 1、生物矿化的定义及主要分类是什么 答：生物矿化定义：生物矿化是指在一定条件下，在生物体的不同部位，以各种作用方式，在有机基质和细胞的参与下，无机元素从环境中选择性的在特定的有机基质上形核、生长和相变而转变为结构高度有序的生物矿物的过程。 主要分类：无定形矿物；无机晶体；有机晶体；最多的是含钙矿物，其次依次为非晶质氧化硅，铁锰氧化物、硫酸盐，硫化物、钙镁有机酸盐
仿 生 材 料 专业无机非金属_______班级 09-01____________学号310906010129_____姓名姚自强___________
仿生材料 一.仿生材料的起源. 在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。一．定义和研究范围 1.1定义 受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称为仿生材料 1.2研究范围 材料仿生的研究范围广泛，包括微结构、生物组织形成
机制、结构和过程的相互关系，并最终利用所获得的结 果进行材料的设计与合成。 二．仿生材料的分类 2.1从仿生材料的使用的场合来看可分为医用材料、工程材料和功能材料等。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。 三. 仿生材料的成果. 3.1雌蛾求爱－防治害虫我国科学家破译了雌蛾的化学语言后，研制出“仿生诱芯”，即人工合成雌性飞蛾吸引雄性飞蛾的激素的气味. 然后将其加入一种硅橡皮塞中，置于诱捕器中，使其缓缓释放，引诱大量的雄蛾自投罗网，既杀虫，又可根据诱捕量预测害虫的发生期。迄今为止，我国科学家已研制成功60多种“仿生诱芯”，对我国主要农林害虫的测报和防治起了重要作用。 3.2鲨鱼皮肤－泳衣一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使
) 讲义仿生材料研究进展(Research Progress of biomimetic materials 的组合词，重点着眼于Bi(o)+(electr)onics60年代，是仿生学（Bionics）诞生于二十世纪电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。[1]，分析了部分生80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文[2-6]1992。美、英等国合作在物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索着重力学结构和性质方Biomimetics意为模仿生物，年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿面的仿生研究。但人们往往狭义地理解“mimetic”一词，意为材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired因而渐为材料其含义较广，争议较少，似更贴切，受生物启发而研制的材料或进行的过程。通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料界所接受。这一结合衍。这是材料科学与生命科学相结合的产物，称为仿生材料(Biomimetic Materials)生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。天然生物材料与生物医学材料一、 通过天然生具有独特的结构和优异的性能。天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，天然生物开发出许多生物医学材料和新型工程材料。物材料的研究，人类得到了很多启示，组成的长种〉蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20材料的主要组成为蛋白质， 便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合链，改变氨基酸的种类及排列次序， 〈核糖核酸〉中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基RNA成决定于遗传基因，即[7]，可以改变某些碱基对的顺序和种酸。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见DNA类，以合成所需要的蛋白质，利用因此将会作为功能材料和结构材料得蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，[8]。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场到应用。据统计，被详细研
[方案]仿生智能材料 第一章绪论 1、基本概念 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。 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(Biomedical materials), 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。 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。 智能材料:具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、 判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。 2、智能材料的特征 具体地说，智能材料具备下列智能特性: (1)具有感知功能，可探测并识别外 界(或内部)的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等; 2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应; (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能; (4)反应灵敏、恰当;
(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。 3、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀;其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。 敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化(温度、湿度、压力、pH值等)。 常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等 可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用 4、智能材料的应用 (1)用于航空、航天飞行器:例:采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测;空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。 (2)用于建筑、工程结构:例:可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。
仿生复合材料在功能性纺织品中的研究与应用① 龚?林素君 （北京服装学院材料科学与工程学院，北京100029） 摘要近年来，随着我国的科技进步和经济发展，功能性纺织品在人们的生活中占据了越来 越大的比重。本文介绍了仿生技术在功能性纺织品中的研究与应用，并初步探讨了仿生复合 材料在功能性纺织品中的发展趋势和技术难题。 关键词仿生复合材料；功能性纺织品 1功能性纺织品的现状 近年来，随着我国的科技进步和经济发展，人们越来越关注个人的生活环境、工作环境及自身的健康。为了适应和改善人们的生活环境和工作环境，提高人们的生活质量和生命质量，扩充人类的活动空间，功能性纺织品在人们的流行生活中占据了越来越大的比重。 自20世纪90年代以来，中国的功能性纺织品开发呈现出持续高涨的态势，并以对全球的纺织品市场产生重大影响。这种持续高涨的开发热情来自两方面的推动力：一是随着消费水平的提高，人们对纺织产品具有某种特殊功能的消费需求不断增加，促使一部分纺织品生产企业投入大量的人力和物力研究开发功能性纺织品，以满足这种消费需求；二是由于通过对花式、组织结构、新型纺织染工艺的创新或新型纤维原料的开发和应用来开发新型纺织产品，已经有些黔驴技穷了，促使一部分企业转而关注功能性纺织产品的开发，以期在利润微薄的传统产业大背景下，寻求更高的附加值。 目前，功能性纺织品的开发领域主要集中在内衣、家用纺织品和防护用纺织品等三个方面，涉及的功能包括抗菌防臭、远红外、抗紫外线、抗静电、防电磁辐射、拒油防水、负离子、防火阻燃、抗沾污、易去污、防水透湿、免烫、高吸湿等。与其他新产品的开发一样，由于市场的不成熟，中国的功能性纺织产品开发也经历了因一哄而上、鱼龙混杂而导致消费者的信任度下降，到市场秩序逐渐规范的过程，并已形成了具有一定规模、功能日趋完善、发展相对稳定的功能性纺织品产业格局。 2功能性纺织品的新进展———仿生技术在纺织中的研究和利用 近年来，我国相关生产企业以及一些跨行业、跨系统的高校、科研单位在功能性纺织品开发上取得了一定成效，应用仿生技术、纳米技术的功能性纺织产品应运而生，如防水、防污、透湿的功能性服装、发射远红外线的保健服、防弹服以及具有防紫外线、抗菌、阻燃、抗静电、超双疏等功能的纺织品均有报道。现将仿生技术在纺织中的应用情况归纳如下。 ①基金项目：服装材料研究开发与评价北京市重点实验室，资助项目编号：（2008ZK－01）。
仿生材料 仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为人类做出更大的贡献。 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。 例1.人造纤维 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法,此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 例2.人鱼传说 在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解
齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日
仿生材料学研究进展 摘要：仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
仿生学的发展及应用 摘要：仿生学科的出现发展已经有将近60年的历史，在这期间仿生学得到了快速的发展，并对人类生活产生了各方面的影响。本文介绍了从古到今仿生学的发展历程及今后仿真学的发展趋势。并对不同领域内仿真学的应用做了简要的介绍和举例，从而更好的了解认识仿真学。 关键词：仿真学；发展；应用 引言 地球上的生物在经历了漫漫的进化之后，到现在人类已知的已经有170多万个物种，科学家推测世界上的物种大约在500-1000万种之间甚至更多。生物为了求得生存和发展，在进化中逐渐形成了各自适合自身的形态结构及生命系统等。不同的物种都各自有着自身的特点，人类在进化发展的过程中，对这些特点的应用就是仿生学最初的起源。自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理、重大发明的源泉。在500万年的进化中，人类不断模仿自然，提升生产能力，才有现在人类社会的发展程度。而这种行为，在现代社会催生出了一门科学——仿生学。 仿生学是一门综合性的，由生命科学和工程技术相互结合而产生的新技术，在现代社会广泛应用于军事、医疗、工业和日常生活等多个领域。了解仿生学的发展过程，清楚仿生学在各个领域的具体应用，对于研究仿生技术，进一步促进仿生学的发展有着重要的意义。 仿生学诞生前的发展及应用 仿生学的发展可以追溯到人类文明的早期，人类文明的形成过程中不自觉的对仿生学的应用，这些应用仍旧停留在比较原始的阶段，由于环境的恶劣，人类不得不从自然界的其它生物及自然现象中学习从而保证自己的生存。因此，从远古时代起，人们实际上已经就已在从事仿生学的工作[1]。例如，人类现在仍在使用的工具：锯子，相传是中国古代的春秋战国时代，鲁班上山伐木途中，手指为锯齿草划破，从而受到启发，经反复实践，终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[2]。古代人类就有着想要利用工具飞翔的期望，自古以来就有很多人模仿鸟类制作出许多“飞行器”，但是由于科学发展的程度不够，都没有成功。直到1903年12月17日，美国人莱特兄弟发明并成功试飞了人类历史上的第一台飞机。以上两个例子都是人类发展中仿生学的应用，然而这些发明等都只是科学史上各自独立的发展成
第一章绪论 1、基本概念 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。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(Biomedical materials),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。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。智能材料：具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。 2、智能材料的特征 具体地说，智能材料具备下列智能特性： (1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等； 2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应； (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能； (4)反应灵敏、恰当； (5)外部刺激条件消除后能迅速回复 智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。 3、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。 敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）。 常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。 在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用 4、智能材料的应用 （1）用于航空、航天飞行器：例：采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。（2）用于建筑、工程结构：例：可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹
《生物材料与人体仿生》 结 课 论 文
时光如水，总是无言。眨眼间，生物材料与人体仿生选修课即将接近尾声。我对生物材料以及仿生学的认知也因着这次选修课，从陌生到熟悉，从未曾听闻到逐步的了解，这次选修课程的学习也让我对原来不曾了解过的生物材料及仿生学有了更多的认识。 一、仿生学的概念及基本概况 仿生学，即模仿生物建造技术装置的科学，上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。它研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。 仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。也正是因为这一学科的兴起，因为人类对自然界种种生物奇异本领的启发，人类仿生学由此产生。参照这些自然生物的本领，模仿它们的外形，我们由此产生灵感设计出来外形奇特又具有独特功能的各种产品。例如人们现在司空见惯的飞机便是早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行，设计和制造了世界上第一架人造飞行器——扑翼机。又如现在各种船的前身，便是我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观