仿生材料學基礎材料學基礎復合材料基礎材料仿生設計實例

課程綱要

生物材料一二三四五4材料仿生設計方法

章節目錄

材料仿生設計基本理論5.1材料增強仿生結構設計5.2材料功能仿生結構設計5.3材料表面仿生結構設計5.45.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法

材料設計是材料科學中的一個新興分支，其內容是應用已有的知識與技術研制具有預期性能的新材料。它提出于50年代，從70年代末期開始有了迅速的發展，特別是近幾年來，已經有了不少引人注目的成果，越來越受到研究人員的重視。

生物技術、信息技術和新材料的發展是現代科學技術發展的三大支柱，其中新材料的發展是當代髙新技術的基礎，也是現代工業的基石，因此人們對材料的研究、開發和性能提出了越來越髙的要求。然而長期以來，材料研究主要采用“炒菜篩選法”或“試錯法”，這一般需要依賴大量的試驗，造成人力、物力和資源的浪費，設計周期也較長。隨著科學技術的發展，一些新的試驗設備和方法的出現以及固體理論、分子動力學和計算機模擬等技術的發展，為材料設計提供了理論依據和強有力的技術支持。5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法一、材料設計的定義材料設計的設想始于20世紀50年代，前蘇聯科學家進行了初期的研究，在理論上提出了人工半導體超晶格的概念。到1985年，日本學者山島良績正式提出了“材料設計學”這一專門的研究方向，將材料設計定義為利用現有的材料、科學知識和實踐經驗，通過分析和綜合，創造出滿足特殊要求的新材料的一種活動過程，其目的是改進已有的材料和創造新材料。現在材料設計已基本上形成一套特殊的方法，就是根據性能要求確定設計目標，有效地利用現有資源，通過成份、結構、組織、合成和工藝過程的合理設計來制造材料。其中，關鍵是材料的成份、結構和組織的設計。在柳田博明看來，材料設計應包括兩層意思:①從指定的目標出發規定材料性能，并提出合成手段；②為新材料開發和新效應、新功能研究提供指導原理。以目標性能為導向5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類按研究對象的空間尺度，目前材料的設計層次分為：①微觀設計層次設計，空間尺寸約為1nm量級，對應原子電子層次的設計；②連續模型層次設計，空間尺寸約為1μm量級，將材料看成連續介質，不考慮其中單個原子電子的行為；③材料性能層次設計，尺度對應于宏觀材料及大塊材料，涉及材料的加工和使用性能設計研究。5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類電子、原子與分子層次對應的空間尺度大致為10nm以下,所對應的學科層次是量子化學、固體物理學等,該層次上常用的研究工具包括第一原理法、蒙特卡羅法與分子動力學法。連續模型對應的空間尺度大致為um級到mm級，屬于材料科學的研究范圍，此時材料常被認為是連續介質，不用考慮材料中個別原子和分子，該層次研究的主要方法為有限元法。對于材料性能層次設計，涉及塊體材料在成形與使用中的行為表現，屬于材料工程甚至系統工程領域，采用的方法如工程模擬等技術。5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類材料設計方法經驗法半經驗法第一原理法分子動力學法蒙特卡羅法有限元法材料設計專家系統人工神經網絡系統5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類第一原理法：材料是由許多緊密排列的原子構成的，是一個復雜的多粒子體系。第一原理法就是把多粒子構成的體系理解為由電子和原子核組成的多粒子系統，并根據量子力學的基本原理最大限度的對問題實現“非經驗性”處理。第一原理的出發點是求解多粒子系統的量子力學薛定諤方程，在實際求解該方程時采用兩個簡化:一是絕熱近似，即考慮電子運動時原子核是處于它們的瞬時位罝上，而考慮原子核的運動時不考慮電子密度分布的變化，將電子的量子行為與離子的經典行為視為相對獨立;第二個假設是利用哈特利-福克自洽場近似將多電子的薛定諤方程簡化為單電子的有效勢方程。薛定諤方程是量子力學的基本方程，它揭示了微觀物理世界物質運動的基本規律。基于量子力學原理的計算方法，通過求解薛定諤方程來預測物質的性質。提供了對材料性質的高精度預測，包括材料的能帶結構、電荷密度、力學性質、磁性等。5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類蒙特卡羅法(MonteCarlomethod)：是以概率與統計的理論、方法為基礎的一種計算方法，蒙特卡羅法將所需求解的問題同某個概率模型聯系在一起，在電子計算機上進行隨機模擬，以獲得問題的近似解。因此，蒙特卡羅法又稱隨機模擬法或統計試驗法。計算一個不規則圖形的面積，那么圖形的不規則程度和分析性計算（比如，積分）的復雜程度是成正比的。蒙特卡羅方法基于這樣的想法：假設你有一袋豆子，把豆子均勻地朝這個圖形上撒，然后數這個圖形之中有多少顆豆子，這個豆子的數目就是圖形的面積。當你的豆子越小，撒的越多的時候，結果就越精確。借助計算機程序可以生成大量均勻分布坐標點，然后統計出圖形內的點數，透過它們占總點數的比例和坐標點生成范圍的面積就可以求出圖形面積。5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類有限元法：是一種常規的數值解法，它是將連續介質采用物理上的離散與片分多項式插值來形成一個統一的數值化方程。該方法實質上是完成兩個轉變:從連續到離散和從解析到數值，因此可解決大多數力學問題、凝固模擬和晶體的塑性模擬等。有限元法由于是連續體的近似，它不能嚴格的包含單個晶格缺陷的真正動力學特性，而且在該尺度上大多數的微觀結構演化現象是髙度非線性的。因此，通常采用帶有固態變量的狀態量方法，該方法對于完成宏觀和介觀尺度上的模擬是非常有效的。將大型物理系統細分為更小、更簡單的部分5.1材料仿生設計基本理論5.1.1材料設計方法二、材料設計方法的分類人工神經網絡：材料設計涉及材料的組分、工藝、性能之間的關系，但這些內在的規律往往不甚淸楚，難于建立起精確的數學模型。人工神經網絡具有很強的自學習能力，能夠從已有的試驗數據中獲取有關材料的組分、工藝和性能之間的規律，因此特別適用于材料設計，為材料的研究提供了一條有效的新途徑。它不需要預先知道輸入(材料的成分、工藝)和輸出(性能要求)間存在的某種內在聯系，便可以進行訓練學習，并達到預測的目的，這是材料設計中其它方法難以比擬的。5.1材料仿生設計基本理論5.1.2仿生設計方法一、形態仿生設計

形態仿生設計是人們在對自然生物體的外部形態的認知基礎上，通過藝術手法將其應用到設計中，滿足人類審美需求的表現。在設計的時候，我們先選擇適合產品定義的生物形態，然后通過提煉，轉化，最終運用到設計中。是具象仿生還是抽象仿生由我們產品設計的要求而定。

仿生設計是一種物質和精神層面的設計融合與創新，人們長時間對大自然生物進行學習，積累經驗，對大自然的形態特征和功能結構進行優化升級，運用在工業產品中的方法。樹葉果盤5.1材料仿生設計基本理論5.1.2仿生設計方法二、結構功能仿生設計

生物結構是經過自然選擇與進化的結果，具有重要的生命意義。結構仿生設計通過對自然生物功能結構的認知，結合產品功能和概念進行創新的方法。在生活中隨處可見，人們向自然學習，進行結構仿生設計的例子，大自然創造的功能結構是我們進行創新設計知識寶庫。荷葉表面微觀形貌5.1材料仿生設計基本理論5.1.3材料仿生設計方法

仿生學就是以自然界生物體的優異結構和特性為研究對象，將生物的結構性質、能量轉換和信息過程應用于技術革新。近年來，隨著相關學科的發展及現代技術尤其是微觀和宏觀技術的進步，仿生學得到了飛速的發展，受到了學術界和工業界越來越多的重視。

材料仿生設計是仿生學的一個重要分支，是研究生物材料的結構特點、構效關系，進而利用現有的材料、結構、系統進行仿生模擬，研制具有預期性能的新材料，屬于化學、材料學、生物學、工程力學等學科的交叉領域。通常我們把仿照生命系統的運行模式和生物材料的結構規律而設計制造的人工材料成為仿生材料。5.1材料仿生設計基本理論5.1.3材料仿生設計方法模仿生物體所進行的某些系統的開發,如超靈敏度機械量傳感器等材料仿生設計方法直接模仿生物體進行材料制備與開發，如疏水防霧材料在模仿過程中受到啟發,以所得到的結構、化學等新概念,進行新型合成材料的設計在生物結構的力學分析指導下,對現有結構設計的優化，如仿鯊魚皮的泳衣利用生物加工技術制備材料5.1材料仿生設計基本理論5.1.3材料仿生設計方法

對于材料仿生設計來說，同樣遵循仿生設計中的基本準則，主要包括以下幾項準則：①

目標功能有效實現準則：實現特定的功能是仿生設計的最終目標，仿生設計過程中的一切技術手段和方法，實際上都是針對設計出的仿生系統的功能而進行的。②權重準則：不同的仿生因素對目標功能有效實現的貢獻不同，有重輕之序。在仿生設計時，應根據權重次序，擬優先考慮重要因素的設計方案，著重模擬對仿生功能有效實現貢獻最大、起主要作用的因素，在此基礎上再進行其他因素的構建。③最優化準則：在仿生設計過程中，對所提取的仿生因素要進行逐一的、全面的篩選與優化，在仿生設計最后階段，應對整個仿生設計進行統籌處理，實現仿生信息與仿生技術的有機融合,實現全域最優化。5.1材料仿生設計基本理論作業：（1）材料仿生設計方法（2）材料設計方法的分類（3）仿生設計中的基本準則5.2材料增強仿生結構設計1.剛柔異質材料耦合

2.多尺度增效

3.多孔結構

4.其它結構

材料增強仿生結構設計，以增強材料一種或多種性能為目的，選擇具有相關優異性能的生物作為仿生對象，利用現有的不同材料制成仿生結構的復合材料或者對現有材料進行改進，實現材料性能的增強。5.2材料增強仿生結構設計5.2.1剛柔異質材料耦合自然界中有生物組織多是剛柔異質材料耦合，如貝殼、植物葉片、昆蟲翅膀等，它們通過剛柔異質材料耦合材料組合策略，使其展現出超強的生物功能。黃蜻翅膀由軟質的翅膜和硬質的翅脈兩部分組成，翅膜通過包裹方式與翅脈連接，形成剛柔結合的有機整體，如圖所示。翅脈縱橫分布，圍成封閉的翅室，翅室中布滿翅膜以阻礙氣流的通過。其中翅脈起到支撐和強化作用，阻礙裂紋擴展，增強翅膀的疲勞強度。翅膜極薄且柔韌，可承受作用于翼上的彎曲和扭轉變形。脈翅整體形成剛柔適宜、輕質高強、形態優化的網格狀剛柔耦合結構。黃蜻翅膀5.2材料增強仿生結構設計5.2.1剛柔異質材料耦合

植物葉片長期暴露在自然環境中，經常遭受狂風暴雨等外界載荷的侵襲，仍能保持自身結構和功能的完整性，這與植物葉片的生物耦合功能密切相關。植物葉片由硬質的維管束“葉脈”和軟質的“葉肉”組成，如圖所示，兩者采用一定的剛柔匹配連接，有效地減小了葉片的應力集中和裂紋的萌生。葉片的止裂原理與昆蟲翅膀和貝殼相似，裂紋在葉脈與葉肉的交界面會發生阻滯或偏轉,能夠有效抵御自然環境作用下的疲勞開裂。楊樹葉及其“硬質”葉脈分布5.2材料增強仿生結構設計5.2.1剛柔異質材料耦合

貝殼是軟體動物綜合自身有機物和周圍環境無機物而生成的天然陶瓷復合材料，其種類繁多、形態各異，但化學成分相似，均由95%的無機碳酸鈣材料和少量的有機蛋白質組成。但相比單相碳酸鈣陶瓷來說，貝殼不僅具備較高的強度，而且韌性遠高出單相碳酸鈣陶瓷2~3個數量級。經分析，貝殼由外向內依次為角質層、棱柱層和珍珠層。而且在珍珠層內的文石晶體以一種平行層狀交錯堆疊的形式組裝在一起，即典型的“磚-泥”結構，如圖所示。當受一定的外力沖擊時，表層晶片出現的裂紋不會擴展到其他晶片層中，在延伸到層間結合的有機質處就會發生偏轉，從而展現出良好的斷裂韌性和抗沖擊性。鮑魚殼珍珠層“磚泥”結構5.2材料增強仿生結構設計5.2.1剛柔異質材料耦合

螳螂蝦在攻擊目標時，其前肢瞬時速度可達23m/s，沖擊力高達700N。其前肢在抵抗數千次重復動態撞擊后，仍能保持材料完整性，而不會產生災難性的失效。要做到這一點，材料必須堅而韌，能夠提供足夠的強度和韌性在破壞獵物的礦化外殼的同時，抵御等量的反向撞擊力。研究人員在其前肢的中表層位置發現軟質幾丁質纖維在硬質礦物基質中自下而上呈現“剛柔”耦合螺旋排列的結構設計，如圖所示。類似結構也存在于龍蝦和螃蟹的前肢結構中。這種自下而上的螺旋排列結構為生物復合材料提供了兩種獨特的機械特性：（1）具有高強度的組成材料賦予材料高的機械性能；（2）螺旋結構吸收沖擊能量，提高材料斷裂韌性。螳螂蝦前肢的自下而上的螺旋結構5.2材料增強仿生結構設計5.2.1剛柔異質材料耦合

巨骨舌魚（Arapaimagigas）為抵抗捕食者（例如食人魚等）的攻擊，進化出了類似的層級螺旋結構，如圖所示。整體魚身表面鱗片的相互覆蓋，除提供靈活性的同時，遭受攻擊時鄰近鱗片相互作用產生一定的的彎曲程度，利于能量耗散。就單個鱗片而言，在厚度方向上，由上到下分為礦化層（厚度約為0.5mm）和膠原層（厚度約為1mm），高度礦化的外殼最大限度地減少局部可塑性，提供了硬度。膠原層為層狀材料，每層厚度約為50μm，層狀結構的獨特之處在于層內礦化膠原纖維平行排列，羥基磷灰石礦物納米晶體嵌入其中，相鄰層的纖維產生錯位旋轉，形成自下而上的螺旋排列結構，提供一定的強度的同時也提供一定韌性，促使捕食者牙齒在穿透鱗片后發生斷裂。5.2材料增強仿生結構設計5.2.2多尺度增效

天然生物材料經過數億年的進化，形成了環境與功能需求相適應的精細結構,表現出傳統人工合成材料無法比擬的優異性能。近些年來，人們發現許多生物材料具有納米到宏觀的多尺度、層級結構，它具有高損傷容限和能量吸收的特點，這為人類開發新型仿生材料帶來無限的啟發和靈感。例如骨骼作為生物結構材料，不僅需要具有高的強度以承受自重和外力，同時需具備較好的韌性防止骨折的發生。5.2材料增強仿生結構設計5.2.1多尺度增效

研究發現，骨組織材料是一種具有層級有序結構的生物復合材料，如圖所示。首先，I型膠原分子（長約為300nm，直徑約為1.5nm）和羥基磷灰石納米晶體（板狀，長×寬約為50nm×25nm，厚度為1.5-4nm）通過有機相連接形成原纖維陣列，羥基磷灰石納米晶體平行于膠原原纖維，并沿著原纖維周期性交錯排列；然后，原纖維陣列通過不同方式（平行、螺旋等）編制在一起形成纖維束，層狀的螺旋排列纖維束與血管通道組成骨單元，由外至內纖維束交錯排列；最后，由無數個骨單元組合形成密質骨/疏質骨。材料本身的機械特性（膠原蛋白提供彈性，羥基磷灰石提供剛性）以及多尺度層級結構設計共同賦予了骨組織材料高的強度與韌性。骨骼的層級多尺度結構5.2材料增強仿生結構設計5.2.1多尺度增效

又如，樹木與竹子是植物中典型高強高韌生物復合材料，兩者均是集成高比強度、比剛度與韌性等優異性能于一體的天然復合材料。從宏觀上看，木材主要由平行的空心管、木材細胞組成，且因生長過程中季節氣候的明顯更迭產生名為“年輪”的輪狀結構，年輪結構中靠近髓心的內側為早材，面向樹皮的為晚材；而從微觀視角進行觀察，細胞壁是木材實際承載組織，可視為以纖維素作為增強相、木質素和半纖維素為基質的復合材料，此外，內部還含有果膠、色素和蛋白質等有機成分和鉀、鈉、鈣、磷和鎂等無機鹽成分。研究發現，兩者的細胞壁均為一種多尺度層級結構，如圖5-7，由外到內分別為初生壁、次生壁外層（S1）、次生壁中層（S2）及次生壁內層（S3）4個副層。5.2材料增強仿生結構設計5.2.1多孔結構

自然界中常見的多孔結構有管狀和蜂窩形結構兩種。許多植物，如馬尾草、蒲菜等，其莖呈現中空狀態，內部有許多多通道微米管，使其在保證足夠的強度的同時，兼具材料節約和營養輸送的功能。例如，馬尾植物莖部含有中空的多胞結構，如圖所示，在向頂端輸送營養的同時，能夠承受風、雨等側向載荷。因此，以馬尾草作為仿生模本，Yin等設計出六種具有不同橫截面構型的馬尾多胞管，并利用有限元評估其在橫向加載條件下仿馬尾多胞管的耐撞性能，結果表明，與圓管和方管相比，仿馬尾多胞管在橫向載荷方向具有較好的耐撞性(A)馬尾草莖;(B)橫向載荷下的仿馬尾結構,(C)泡沫仿馬尾結構5.2材料增強仿生結構設計5.2.1多孔結構

另外，很多鳥類和哺乳動物由于保持體溫恒定的需要，都進化出具有很好的保暖性能的羽毛或皮毛，經研究發現其羽毛或皮毛具有多通道管狀結構。例如生活在極地的北極熊為了適應極地嚴寒的環境，經過不斷的進化，形成了具有特殊結構的毛發。通過電子顯微鏡觀察北極熊毛，可以發現它具有透明的中空多孔結構（如圖），中空的毛發通過反射和散射可見光，將溫暖的陽光傳輸到黑色的皮膚上使得它具有極好的紅外吸收能力，起到保溫、絕熱的作用,進而抵御北極的嚴寒北極熊及其具有管狀中空微結構的毛發顯微截面圖5.2材料增強仿生結構設計5.2.1多孔結構

鳥類的喙作用主要用于捕食、梳理羽毛、筑巢、爭斗等，捕食的過程中喙會起到撕咬、叼住的作用，因此鳥喙通常有一定的強度和硬度，并且為了更利于飛行，輕質量也是必須考慮的因素。經過近億年的進化，逐漸形成了蜂窩型的鳥喙內部結構，這種結構能夠減少組成材料的脆性，降低鳥喙整體的質量，并且對于一些類似啄木鳥這種特殊的鳥類，蜂窩型多孔結構還可以起到減震的作用。例如，巨嘴鳥（的鳥喙是一種類似于三明治的結構，如圖所示，其外殼是由多層的角質鱗片組成，其厚度為0.5mm到0.75mm不等，每個鱗片為厚度為2~10um，長2~10um的正六邊形，鱗片間相互重疊。其內部是多孔泡沫型結構，且大部分的蜂窩結構被2~25μm的有機薄壁包覆形成一個類似封閉單元的結構。巨嘴鳥喙的微觀圖像，外層為角質鱗片及內部為蜂窩型結構5.2材料增強仿生結構設計5.2.1其它結構

除上述提及的生物結構外，還有很多特殊結構，如縫合結構、重疊結構及梯度分布等。縫合結構是在各種板塊、鱗片和骨骼中發現的波浪形或交錯的界面,一般由兩個部分組成：剛性縫合齒和順應性界面。它們經常出現在需要控制材料界面的內在強度和靈活性的區域。縫合線作為微觀結構的界面元素出現在生物材料中，例如，紅耳滑龜和棱皮龜的甲殼、哺乳動物的頭骨（如白尾鹿）和三刺魚的骨盆等。縫合結構示意圖及不同生物內的縫合結構5.2材料增強仿生結構設計5.2.1其它結構

重疊結構是由一些單獨的板塊或鱗片組成，它們可以相互滑動或移動，形成一個靈活的保護面，常作為宏觀結構元素出現。具體例子包括海馬尾巴、鯊魚鱗片、石鱉外骨骼、千足蟲外骨骼、犰狳體表鱗片等。從機械上講，重疊結構能夠確保連續的覆蓋，同時允許有靈活性。重疊結構示意圖及不同生物內的重疊結構5.3材料功能仿生結構設計

中國科學院院士任露泉教授在《耦合仿生學》一書中，對生物功能進行了定義。生物功能是指生物體、生物群/落（植物、動物、微生物）在生命過程中所呈現的某種（些）有利于其生存與發展的能力或作用。并將生物功能分為生物學功能和工程學功能，其中生物學功能包括生物的光合作用、新陳代謝、自組織、自修復等，而工程學功能具體表現為變色、變形、超敏感知、自潔、減阻等。生物功能是生物的屬性，是生物與其生存環境在相互作用過程中所表現出的本領，是生存與適應能力的具體表現。1.植物的被動變形

2.動物的體表感受器

5.3材料功能仿生結構設計5.3.1植物的被動變形-纖維素纖維取向

松塔鱗片由交叉90°纖維素纖維增強的復合材料雙層結構組成組成。一層復合材料允許縱向膨脹和收縮，另一層使縱向變化受到限制。因此，在互相競爭的應力作用下，松塔鱗片根據環境中濕度變化引起木質素基質膨脹，產生可逆的彎曲，如圖a-c所示，實現鱗片的打開和閉合。洋紫荊的豆莢采用爆裂方式將種子彈出，完成播種行為，如圖d-f所示。豆莢在失水干燥過程中，豆莢瓣收縮產生扭轉變形，當積聚的應力突破兩豆莢瓣間最大聯接強度時，產生突然的爆裂，將豆子彈出。豆莢瓣是由雙層組織構成的，每一層由基質材料和定向的纖維組成，纖維與豆莢長度方向呈大約45°角。豆莢的兩瓣纖維方向相反，產生相向的扭轉，最終突破連接極限導致爆裂，將種子彈出。5.3材料功能仿生結構設計5.3.1植物的被動變形-纖維素纖維取向

研究表明，牻牛兒苗種子芒部管狀細胞的細胞壁背側與腹側的纖維素原纖維的取向不同，如圖。芒部內側纖維素原纖維的取向角度為80.06±6.53?，幾乎垂直于細胞長軸方向；外側纖維素原纖維的取向角度為45.46±5.48?，與細胞長軸方向傾斜，如圖所示。因此，內外兩側不同的原纖維排列取向角度，致使細胞干燥狀態下內外兩側呈現各向異性收縮，進而產生螺旋推進的行為。5.3材料功能仿生結構設計5.3.1植物的被動變形-組織密度及細胞結構設計“復活草”——在非洲撒哈拉沙漠深處,生命力極強的草。5.3材料功能仿生結構設計5.3.1植物的被動變形-組織密度及細胞結構設計“復活草”——在非洲撒哈拉沙漠深處,生命力極強的草。干旱時-萎縮彎曲成一堆像干柴一樣的球,隨風滾動；遇到水源,它就迅速生根,經過雨水的滋潤,幾個小時內迅速長出幼苗,再經過幾個星期,就長成了一株復活草。組織密度、細胞取向和二次細胞壁組成在軸向和近側莖側之間的橫截面梯度相關，如圖所示。在內莖中，細胞壁厚度和組成的縱向梯度影響著莖尖到基部的組織膨脹和收縮，允許比外莖更復雜的卷曲。在風力的作用下實現滾動，使復活草滾動，遇到水源后“復活”。5.3材料功能仿生結構設計5.3.1植物的被動變形

許多菊科植物，如蒲公英，有毛茸茸的冠毛，可以根據濕度水平關閉以改變散布。MadeleineSeale等發現冠毛的變形依賴于脈管系統和圍繞中心空腔、徑向排列的周圍組織，水化作用下以徑向對稱的方式進行異質膨脹，如圖所示，以協調連接在上側的毛發的運動。這種致動器是雙層結構的衍生物，它是徑向的，可以使平面或側向附著的運動同步。5.3材料功能仿生結構設計5.3.22.動物的體表感受器

從信息控制系統的角度分析，自然界中的生命體都是由感知（激勵）—控制（決策）—反應（運動、執行）三部分組成的生命自動控制系統。其中，感知是生命系統信息獲取的基礎，是機體對外部和內部刺激做出精確分析和應激響應的先決條件，由生物感受器執行完成，它是生物在復雜、殘酷環境中生存下來的重要依賴。根據分布部位和接受刺激的來源不同，生物感受器又被分為內感受器、本體感受器和外感受器。一般外感受器也稱為生物體表感受器，分布在人和動物的皮膚和體表。它能夠高效感知外部機械量、光、熱、化學等刺激信號，并將其高效轉化為相應的動作電位。在這里我們將著重介紹易被工程轉化的生物機械量感受器，如聲波感受器、微流量感受器、觸覺感受器及微振動感受器。這些機感受器經過億萬年的優勢進化，早已獲得了高精度、超靈敏、微尺度、低功耗等優異特性的集成。5.3材料功能仿生結構設計5.3.22.動物的體表感受器

以聲波感受器為例，D.Robert等發現奧米亞棕蠅的聽覺器官位于頭部下方和兩只前腿的基節之間，由一對對稱布置在前胸腹板上的兩側鼓膜組成，如圖所示，兩鼓膜的距離僅為1.5mm，聲音分別到達兩側耳膜之間時差不到2μs,奧米亞棕蠅憑借這種雙耳角質皮膜結構的機械耦合放大效應，能夠對外界入射聲源的方位作出準確的判斷。奧米亞棕蠅聲波感受器結構5.3材料功能仿生結構設計5.3.22.動物的體表感受器

就流量感受器而言，自然界中的節肢動物（蟋蟀尾巴上的絲狀毛、蜘蛛運動足上的蠱毛、以及蝎子螯肢上的蠱毛），為了能夠感知天敵或者捕食對象活動而引起的周圍空氣擾動，進化出了極其靈敏的流量感受器，如圖5-19所示。上述流量感受器都是由外骨骼碗狀結構的毛窩和伸出于毛窩外的毛桿組成，毛桿如同一根懸掛空氣中的懸臂梁，毛桿底部在毛窩內與神經元樹突末端相連，神經元的功能是將外部流量信號轉化為生物電信號。毛桿極大的縱深比為流量感受器的超靈敏、高精度性能提供了結構保證。當有氣流作用在毛桿上時，毛桿會隨氣流擺動并通過與毛桿底部相連的神經元將機械量信號轉化為生物電信號。相關研究表明,使得毛桿在毛窩內擺動且引起相應神經元產生電信號的最小機械能為10-21J。5.3材料功能仿生結構設計5.3.22.動物的體表感受器

除上述不同類型機械量感受器外，還有微振動感受器。關于振動感受器的研究主要集中在蜘蛛、蝎子兩種蛛形綱生物上，其微振動感受器都是由長度不同的縫感知單元組成，如圖所示。Barth等對蜘蛛微振動感受器縫單元的長度、排布規律進行了研究，并對縫感受器在感知過程中的受力情況進行了有限元模擬。縫感知單元在外部振動信號作用下會發生形變，相連的感知神經元將這種形變轉化為了生物電信號。P.mesaensis蝎的振動感受器由呈扇形排布且長度不同的縫單元組成，分布在八條運動跖骨關節的末端。能夠靈敏地感知、定位周圍幾十厘米范圍內由生物運動引起的沙粒擾動，同時也能夠靈敏地檢測到作用于其跗骨末梢振幅為10nm的微振動信號。5.4材料表面仿生結構設計

材料表面仿生結構設計：以材料表面實現一種或多種性能為目的，選擇具有相關性能的生物作為仿生對象，利用現有的加工工藝對材料進行加工或者利用化學合成等方法在材料表面進行結構設計，使得材料表面具有相應的性能。1.超疏水自潔功能

2.方向性集水

3.結構色

4.減阻

5.4材料表面仿生結構設計5.4.1超疏水自潔功能

荷葉表面由許多乳突構成，表現出凹凸不平的微觀粗糙結構，并且粗糙結構的表面覆蓋有類蠟質晶體,二者協同作用,使得荷葉表面呈現明顯的疏水性,水滴在這種表面上具有較大的接觸角，可有效阻止荷葉被潤濕；水在荷葉上能形成水珠，實現對沾染物的潤濕和粘附，表現出自潔功能，如圖所示。荷葉超疏水自潔功能及其表面微觀結構5.4材料表面仿生結構設計5.4.1超疏水自潔功能

研究人員還發現蓮花種子莢表面同樣表現出超疏水自清潔特性,其水滴接觸角達153.90+2.7°。水滴可以在荷葉表面和蓮花種子莢表面沿著任何方向自由滾動。同樣的超疏水表面特征出現在槐葉萍表面，經掃描電鏡觀測可以發現槐葉萍表面存在高度約為2mm類打蛋器狀的微觀結構，如圖所示。槐葉萍表面超疏水表面及類打蛋器狀微結構5.4材料表面仿生結構設計5.4.1超疏水自潔功能

以上植物表面的潤濕特性表現的為各向同性，而各向異性的潤濕特性表現為在不同方向上具有不同的滾落行為。例如，對于蝴蝶來說，水滴容易沿蝴蝶身體中心軸的外輻射方向（RO）方向移動，相反方向則被緊緊固定住。經電鏡掃描觀測到蝴蝶翅膀表面存在大量的長度約150um、寬度約70um方形鱗屑，鱗屑間相互重疊，如圖所示，進一步放大觀察，可以發現其上方分散眾多由長度明顯不同的多層表皮薄片組成的脊狀紋蝴蝶翅膀的方向性粘附特性5.4材料表面仿生結構設計5.4.2方向性集水

自然系統中還有很多生物體表面具有水滴定向運輸的特性，其主要依賴于表面能的梯度和Laplace壓力梯度作為驅動力，一方面源自表面化學組成的不同或表面粗糙度的不同的表面能梯度,驅動水滴朝具有更高表面能的更潤濕區域移動；另一方面生物獨特微結構產生Laplace壓力差令微米級水滴發生移動。例如,蜘蛛絲由濕敏親水鞭毛蛋白組成。將干燥蜘蛛絲置于霧中，小水滴在鏈接結構和紡錘節結構上隨機凝結。隨水凝結進行，水滴尺寸變大，鏈接結構