仿生智能材料课件.ppt

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2019-04-07 发布于北京
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* 《仿生智能材料》材料科学与工程学院李湘祁第1 章绪论 1.1 仿生学 1、仿生学概念 2、生物材料与仿生材料 1.2 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、智能材料的应用第1 章绪论 1.1 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。第1 章绪论宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚、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。第1 章绪论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。第1 章绪论第1 章绪论仿生学(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渗透而结合成的一门边缘科学。第1 章绪论 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(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。第1 章绪论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性能。第1 章绪论生物体的启示：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第1 章绪论第1 章绪论仿生材料（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。第1 章绪论 1.2 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第1 章绪论 20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。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。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。第1 章绪论 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；智能金属材料智能无机非金属材料智能高分子材料第1 章绪论 (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到原始状态。智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。第1 章绪论从仿生学的观点出发，智能材料应具有或部分具有下列生物功能： (1)有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将解结果提供给控制系统； (2)有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释；第1 章绪论 (3)有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激