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仿生材料的研究进展及应用前景随着科技的不断发展，人类对于仿生学的研究也越来越深入。
仿生学是指生物学、物理学和工程学等相关学科在结构、形态、力学等方面模仿自然界中生物的形态和功能，从而研制出仿生产品和器件的学科。
仿生学在人们生产生活中的作用越来越大，而仿生材料是其中的重要组成部分，具有巨大的应用前景。
一、仿生材料的定义及特点仿生材料是一种通过仿照生物体的结构、形态、功能和制造方法，用人工材料来代替或模拟生物体某些功能的人造材料。
仿生材料是科学家研究生物仿生学的一个重要领域，与生物学、材料学、力学等多学科交叉，具有以下特点：1.符合生物体的结构、形态和力学等特性；2.比人造材料更具可塑性、可调性和适应性；3.具有多种特殊功能和性能；4.可以在多个领域应用。
二、仿生材料的研究进展随着仿生学的不断发展，仿生材料的研究也在不断深入。
目前，仿生材料的研究重点主要集中在以下方面：1.仿生材料的结构设计及制造方法研究。
通过仿照生物体的结构设计，结合现代材料制造技术，开发出具有类似结构的仿生材料。
2.仿生材料的性能研究。
通过模拟生物体的特殊功能和性能，研究仿生材料的相应性能，如生物材料的力学性能、光学性能、磁性能等。
3.仿生材料的应用研究。
通过对仿生材料的研究，探究其在医药、新材料、机器人等多个领域的应用。
三、仿生材料的应用前景仿生材料的应用前景十分广泛，未来有望在以下几个方面得到广泛应用：1.医学领域仿生材料可以用于修复、再生人体组织，分析生物体的分子作用和制备仿生医学材料等。
例如，仿生骨料可以代替天然骨骼，用于义肢制造和人造骨骼修复等。
2.材料科学领域仿生材料的结构和性能特殊，可以制造出更加高效的电池、太阳能电池等能源材料。
3.机器人领域仿生材料能够帮助机器人更好地仿照生物体的结构，并具备生物体的一些特殊功能。
例如，仿生蛇机器人可以模仿蛇的蠕动方式，更好地适应不同的地形。
总结：作为仿生学中的重要领域，仿生材料在科技领域中发挥着越来越重要的作用。
仿生学研究的进展和前景当我们观察自然界中的各种生物时，我们会发现它们的形态、结构和运动方式都非常精密而高效。
仿生学是一门学科，通过模仿这些生物来研发能够模拟它们的机器人和其他技术。
仿生学的研究范围非常广泛，涵盖力学、机械工程、生物学、材料科学和电子工程等领域。
随着技术的进步和研究的不断深入，仿生学在各种领域的应用也变得越来越广泛。
一、仿生学在机器人领域的应用仿生学在机器人领域的应用最为广泛。
因为大自然中的各类动物，如鸟类、昆虫等，都有自身独特的运动方式和适应环境的特性。
如今的人们也能够仿造这些特点，赋予机器人对不同环境的融入能力。
比如稳定性较强的六足机器人就是借鉴了昆虫的运动方式，可以在不平坦的地形上行进，它的运动方式适应于充满难题的搜索和搜救行动。
二、仿生学在航空航天领域的应用仿生学在航空航天领域的应用也十分广泛。
研究发现，鸟类的翅膀结构是非常适合在高空中飞行的。
基于这一发现，科学家开发出了仿生翅膀，不仅在飞机上被使用，而且还被用于开发具有热隐形性的导弹。
这些仿生翅膀不仅质量更轻，而且因为复制了鸟类行为，所以更加节能。
此外，在火箭发动机的组装过程中出现的问题，也可以通过仿生学来解决。
科学家们以赤螳螂为模板，发明了采用进口器运行的喷气发动机。
三、仿生学在医学领域的应用仿生学在医学领域也有很多应用，其中最明显的就是医学器械的仿生制造。
例如仿生耳机，不仅重量轻并且能够有效滤除噪音。
同时仿生学还被用于研究生物学问题，帮助人们更好地理解人体的机理以及疾病。
四、仿生学在材料科学中的应用仿生学在材料科学中的应用范围也非常广泛。
仿生设计的产品可以被用于改善建筑和基建的安全性和性能，例如从虎蛇的鳞片中得到启示，设计了一种能够抵御子弹和爆炸的新性材料。
另外，仿生学也可以用于开发一些适合特定环境的材料，例如在火山喷发的环境中运作的材料。
五、仿生学的未来随着各种新兴技术的涌现，仿生学的研究也会变得更加广泛且有效。
学科的深度和广度也会呈现出不停地拓宽。
仿生学的研究进展及其应用前景伴随科学技术的迅猛发展，人们对自然界各种奇妙生物、构造的深入研究和模仿已经成为一种重要的科学研究方向。
这便是仿生学，它是从生物学、材料科学、机械工程、信息科学等各个领域综合而来的一门学科。
仿生学以“模仿生物、提取先进的生物机能与理念、为人类服务”为基本理念，通过研究各种生物构造、机能、行为方式和思维规律等，进而创造新的材料、器件和系统等。
近年来，仿生学的研究进展有目共睹，特别是在材料、机器人、医药等领域都有广泛应用前景。
一、仿生材料仿生材料是仿生学领域研究的一个重要分支，它主要以生物材料构造和机能为研究对象，通过模仿和设计，制造出具有类似生物材料功能的新材料。
例如，仿生材料中的自愈材料，就是模仿某些昆虫和植物自我修复的机能，研制出一种无需外力干预，自动修补材料的新型材料。
另外，仿生材料还可以模仿如树木、蜥蜴皮肤、贝壳等的机能和特点，创造出一些具有超高强度、超弹性、超防水、超耐磨性等突出特点的新材料。
二、仿生机器人仿生机器人是仿生学中的另一个热点领域，主要研究如何从生物体中汲取灵感，创造出更加先进的机器人。
仿生机器人的研发有广泛的应用前景，例如仿生机器人能够在各种恶劣环境中进行作业，成为解决某些特殊问题的利器。
此外，仿生机器人还可以在军事、医疗、航空等领域中扮演重要角色。
三、仿生医学仿生医学是仿生学领域中和人类生命健康密切相关的领域，主要研究如何从生物体中提取灵感，研究和开发新型生物医学器械、药物、诊疗手段等。
在这个领域，仿生学的研究成果已经得到了广泛的应用。
例如，仿生医学领域研制的人工心脏和机械手臂等器械，可以帮助患者恢复或增强人体功能；仿生药物的研发可以提高药物的效率和减少不良反应；仿生诊疗手段可以提高诊疗的准确性和治疗效果。
可以预见，仿生医学在未来会为医学和医生带来更多的帮助和突破。
总之，仿生学是当前各项技术和学科交叉融合应用的体现，其研究成果已经深度渗透到生活、工业、医疗、军事、航空等多个领域，影响着人类的生产生活方式和发展方向。
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,Review1.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。
仿生材料研究的进展与应用随着人工智能领域的快速发展，仿生材料的概念也逐渐深入人心。
仿生材料是指由工程师或科学家参照自然界的生物体所具备的结构、物理性能、化学性质或功能而创造出的一类新型功能材料。
仿生材料广泛用于各种领域，如航空航天、汽车、建筑、医疗、环保等，其重要性和应用前景不容忽视。
本文将从仿生材料的定义、研究现状以及应用展望三个方面来探讨仿生材料研究的进展与应用。
一、仿生材料的定义仿生材料是将仿生学的科学原理应用于材料科学与工程领域中的一种新兴研究领域。
其主要目的是将自然界中生物所具备的特性与人为材料的生产加工相结合，创造出一种新型的具有高性能、低成本的仿生材料。
仿生材料包括两个方面，即仿生结构和仿生功能。
前者主要是从自然界中汲取灵感，根据生物体的形态和材料性质设计出具有特殊功能的结构；后者则是将生物材料的生物特性，如自修复、自洁等性能应用于人造材料中，以达到减低生产成本、改进材料性能的目的。
二、仿生材料的研究现状1.仿生材料在材料科学领域中的应用目前，仿生材料已经在材料科学领域中得到了广泛的应用。
例如，在汽车制造领域中，仿生材料可以用于改进车身外形设计，减低空气阻力；在建筑领域中，仿生材料可以应用于改进混凝土、钢结构等建材的力学性能和使用寿命；在医疗领域中，仿生材料可以作为仿生组织工程材料，用于修复受损组织和器官。
2.仿生材料的主要研究内容仿生材料的研究内容主要包括结构仿生、功能仿生和力学仿生三个方面。
其中，结构仿生是以自然界中各种生物形态结构为研究对象，通过仿生原理、仿生设计和仿生加工等技术手段，创造出具有特殊结构和性能的仿生材料。
功能仿生是以自然界中的生物体功能为研究对象，通过仿生途径设计和制备出类似生物体的功能材料，如自修复、自洁和渗透调节等。
力学仿生则是主要研究仿生材料的力学性能，如抗拉、抗压和耐磨性等。
三、仿生材料的应用展望目前，仿生材料已经广泛应用于各种领域，其应用前景依然十分广阔。
仿生学的研究进展与未来方向近年来，随着科技的快速发展，仿生学作为一门跨学科的新兴科研领域正逐渐成为学者和科技工作者争相研究的热点。
其将生物学、工程学、材料科学等学科的知识融合，将模仿自然的形态、结构、功能进行科学研究和技术应用，带来了诸多创新点和前沿技术。
本文旨在介绍仿生学这一新兴领域的研究进展以及对未来方向的探索。
一、仿生学的研究进展在仿生学这一领域中，研究对象多种多样，包括昆虫、鱼类、鸟类、哺乳动物等。
通过深入研究这些生物的结构构造、生理学特征以及生态环境，对其实现的功能进行模仿，仿生学研究者们已经在航空、船舶、汽车、医疗、智能机器人等领域实现了许多突破性的成果。
1. 生物翅膀的仿真研究在航空领域，仿生研究者们借鉴昆虫翅膀的特点，对航空器进行改进。
例如，研究者们发现昆虫翅膀表面具有一定形状的微观结构，可以降低表面粘附性，从而为降低空气阻力提供助力。
同时，仿生学的目标也是通过像自然一样的方法实现更高效的运动、适应复杂的环境情况，提高航空器的安全性和经济性。
2. 鲸鱼皮肤的仿生研究在船舶领域，仿生学也有较大应用。
通过深入研究鲸鱼的皮肤特征，设计出了具有远航特性的仿生船壳。
仿生技术可以使船体外表面光滑、阻力小，大大降低货船船体摩擦力及油耗，达到减少运输成本的效果。
3. 鱼类运动机制的仿生研究在机器人领域，仿生研究者们借鉴鱼类的运动机制设计水下机器人。
例如，仿生研究者们通过深入鱼类游泳的特点，设计出了仿生鱼类机器人。
这种机器人具备非常优秀的修正机制，它的尾鳍皮下和尾鳍表面都有连成一体的舵面。
二、仿生学的未来方向仿生学的未来发展趋势和方向是令人期待的。
以下是创新的三个方面：1. 智能化和自主化随着人工智能技术的不断提升，我们可以期待仿生机器人将以更加智能、更加自主的方式实现对环境的感知、分析和决策，更好地适应环境变化。
这也包括机器人将要更加具备自我修复能力，即通过仿生学研究出的材料和结构的电话重新构建和完善自身。
仿生材料的研究新进展
随着科技的不断进步和生物学领域的发展，仿生学研究成为了
最有前景的领域之一。
仿生学是将工程学与生物学相结合，研究生
物体结构、功能和相应的工程模型之间的关系。
仿生材料就是其中
的一个重要研究领域，它是指那些具有生物学特性的材料，可以用
来替代人体组织、修复和替换受损组织、提高医疗技术和改善健康。
最近几年来，仿生材料研究领域有了很多新的进展，下面我们来看
一下它们的发展趋势和应用前景。
1. 仿生材料的纳米技术应用
随着纳米技术的发展，研究人员将其引入到仿生材料的研究中，以进一步提高材料的生物相容性、生物稳定性和功能性。
例如，研
究人员采用纳米尺度材料制造出结构复杂、粘度高、高分子量的胶体，从而提高了生物物质的结构稳定性，并优化了其在组织再生和
治疗领域的应用。
2. 仿生材料的3D打印技术应用
3D打印技术为仿生材料的研究提供了新的途径。
通过3D打印
技术，研究人员可以制造出符合人体生物力学特征的人工组织和器官，有望实现更加高效的组织再生和器官移植。
例如，研究人员利
用3D打印技术制造了一种仿生材料，模拟人体骨骼的结构和组织。
这种材料在医疗领域有着广泛的应用前景，可以用于代替受损的骨
骼组织。
3. 仿生材料的生物活性应用
1。
2006年11月农业机械学报第37卷第11期仿生材料学研究进展3房 岩 孙 刚 丛 茜 任露泉 【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:仿生 材料学 综述中图分类号:TB 17;TB 39文献标识码:AAdvances i n Researches on B iom i m etic M a ter i a lsFang Yan 1 Sun Gang 2 Cong Q ian 3 R en L uquan3(11Chang chun T eachers Colleg e 21N ortheast N or m a l U n iversity 31J ilin U n iversity )AbstractT he “b i om i m etic m aterials science ”fo rm ed by the in tersecti on of m aterial science and life science has great theo retical and p ractical sign ificance .B i om i m etic m aterials science takes m aterial structu re and fo rm ati on as target ,con siders artificial m aterial at the view of b i o 2m aterial ,exp lo res the design and m anufactu re of m aterial from the angle of b i o logical functi on .A t p resen t ,the ho t researches on b i om i m etic m aterials science include shell b i om i m etic m aterial ,sp ider silk b i om i m etic m aterial ,bone b i om i m etic m aterial ,and nano 2b i om i m etic m aterial ,etc .w h ich have their ow n sp ecial m icro 2structu ral characteristics ,fo rm ati on style ,and b i o 2m echan ical p rop erties .B i om i m etic m aterials are develop ing tow ards com pound ,in tellectual ,active ,and environm en tal tendency ,w ill b ring revo lu ti onary i m p rovem en t fo r m anufactu re and app licati on of m aterial ,and w ill change greatly the statu s of hum an society .Key words B i on ics ,M aterials science ,R eview收稿日期:2005-09-053高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(项目编号:20040183048)、国家“863”高技术研究发展计划资助项目(项目编号:2003AA 305080)和吉林省科技发展计划重点项目(项目编号:20040331)房 岩 长春师范学院生命科学学院 教授 博士生,130032 长春市孙 刚 东北师范大学生命科学学院 副教授 博士,130024 长春市丛 茜 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 教授 博士生导师 通讯作者,130025 长春市任露泉 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 教授 博士生导师 引言天然生物材料大都具有微观复合、宏观完美的结构。
在现代生活的各个领域,仿生学和仿生材料学都发挥着巨大的作用。
人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。
用于社会生产的材料每一次重大革新和进步都使人类社会文明向前发展一步。
生命科学与材料科学相融合,启迪人们从生命科学的柔性和广阔视角思考材料科学与工程问题。
以经过亿万年进化形成的生物体为极限目标,在不同层次和水平上仿生,才可能有效解决“材料-生物体”界面的接口问题,使材料制备节省能源和资源,实现系统智能化、环境友好化和高效化。
材料科学与生命科学融合,涵盖了许多核心科学问题,包括材料系统的开放;能量、物质和信息的传输和交换;材料与生物体的相容性;材料与生物体复合体系的阶层结构与功能构建;生物大分子相互作用对细胞行为控制介导与材料设计;转基因植物与材料制备等。
这些科学问题的研究进展,将为材料科学的发展提供新机遇,并且孕育着新理论、新材料与新技术的诞生[1]。
1 仿生材料学定义仿生材料是指模仿生物的各种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。
仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(b i om i m etic m aterials science),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉[2]。
地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。
由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。
仿生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具有重大意义。
自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力。
在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的[3]。
2 仿生材料学的研究内容生物材料具有多种优良特征,如复合特征、功能适应性、自愈合与自我复制功能、合成技术、多功能性、防粘减阻与疏水功能等[4～5],因此成为仿生材料学的研究热点。
包括:①生物材料的物理和化学分析,以便更好地理解其结构的设计和性能。
②直接模仿生物体进行的材料制备与开发。
③利用生物加工技术制备材料的力学行为分析。
④在模仿过程中,以所得到的结构、化学等新概念,进行新型合成材料的设计。
⑤仿生材料和结构在新领域中的应用,如在机器人和航空结构等方面。
⑥在生物的结构力学分析指导下,对现有结构设计的优化。
⑦分析生物材料及结构在进化过程中设计标准。
⑧模仿生物体进行的某些系统的开发,如超灵敏度机械接受器等[6]。
因此,仿生材料学是以阐明生物体的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[4,7]。
3 仿生材料学的当前研究热点311 贝壳结构及其仿生材料31111 贝壳结构特征珍珠层属天然复合材料,其中95%(体积分数)是片状文石,其余5%是蛋白质-多糖基体。
这些文石片交错排列成层,文石间填充着有机基体。
单个文石晶片是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶和非晶区。
珍珠层中的文石晶体C轴取向一致,与珍珠层层面垂直[8]。
根据珍珠层中文石板片的排列方式,通常将其分为砌砖型(b rick2w all)和堆垛型(co lum nar2 stack)2类。
砌砖型结构主要存在于双壳类中,其生长面呈现叠瓦状排列,微层以类似阶梯的方式重叠,新生晶体沉积在步阶的边缘,通过横向延伸与微层聚合;在纵断面上,文石板片的轴心呈无规则排列状态。
堆垛型结构主要存在于腹足类中,在生长处呈现均匀排列的堆垛状结构,新生晶体沉积在堆垛的顶端。
由于不同微层的晶体在横向上的生长速度近似相等,使得堆垛保持了锥形形貌。
在同一堆垛中,纵向相邻的文石板片中心位置基本一致,仅在水平方向上有20～100nm的偏置,与有机基质层中微孔的偏移相对应[9]。
31112 仿贝壳珍珠层的复合材料珍珠层文石晶体与有机基质的交替叠层排列方式是其高韧性的关键所在,根据这一原理把Si C薄片涂以石墨胶体,沉积烧结成复合叠层材料,该材料的破裂韧性有了极大提高,破裂功提高了约100倍[10]。
采用叠层热压成型制备的Si C A l增韧复合材料,其断裂韧性比无机Si C提高了2～5倍;制备的Si3N4 BN叠层复合材料,其破裂韧性达28M Pa・m1 2,破裂功超过4kJ m2[11]。
Jack son等在研究T i N P t叠层微组装材料时发现合成材料的硬度和韧性取决于T i N和P t层的厚度,一定的T i N 和P t层厚度将会使材料的硬度和韧性得到最佳结合。
这样的材料不仅可以具有陶瓷材料的强度和化学稳定性,又具有金属材料的抗冲击能力。
当单层膜厚度达到纳米级时,有可能发生特殊的尺寸效应,这是一个非常值得深入追踪的领域。
利用这一特点,可以开发出新型的超硬材料,在减摩、耐磨等方面加以应用。
目前在纳米多层膜的研究中,一方面是更广泛地探索不同材料间的纳米组合,以寻求稳定的具有超硬效应的材料系统;另一方面也开展相应的理论研究,以增进对超硬现象的物理本质的认识[12]。
312 蜘蛛丝结构及其仿生材料31211 蜘蛛丝的结构与性能蜘蛛丝具有极好的机械强度,其强度远高于蚕丝、涤纶等,刚性和强度低于KEVLA R和钢材,但其断裂能位于各纤维之首,高于KEVLA R和钢材。
与人造纤维相比,蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的;蜘蛛丝还具有高弹性、高461农 业 机 械 学 报2006年 柔韧性和较高的干湿模量,是人们已知的世界上性能最优良的纤维。
此外,蜘蛛丝还具有信息传导、反射紫外线等功能。
蜘蛛丝的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸[13]。
与蚕丝相比,蜘蛛丝中含有较多的谷氨酸、脯氨酸等。
在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区,结晶度为蚕丝的55%～60%。
结晶区主要有聚丙氨酸链段,为Β折叠链。
非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的氨基酸组成,大多呈Β螺旋结构[14]。
31212 蜘蛛丝仿生材料蜘蛛丝的结晶区与非结晶区的结构给予人们启示。
Co rnell大学的学者发现,组成蜘蛛丝氨基酸的甘氨酸和丙氨酸与蜘蛛丝的强度有关,蜘蛛丝的坚韧性使其适合于做高级防弹衣。
