班级：工商管理姓名：刘豫学号：前沿仿生材料
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论前沿仿生材料
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，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运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。
3.3海蜇－水母耳 每当风暴来临前，最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知，早早就离岸游向大海避灾。原来，海蜇有个“顺风耳”，其“耳”（细柄上的小球)中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为8赫兹-13赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）。
模拟海蜇感受次声波的器官，科技人员设计出一种“水母耳”仪器，可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上，喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹－13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。
3.4仿生成果已不断涌现，并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍，这些仿生学成果应用于经济、军事和人类卫生事业后，在全球经济中所创造的份额会越来越大。如德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种AMC垫型轮胎，其表面的柔软性和硬性网状结构设计，具有较大的抓地性和运行精度，增加了轮胎与地面的摩擦力，使刹车距离从现在的19米缩短为9米，大大提高了安全性。这种轮胎已完成了实地试验，一旦投产，对世界轮胎业产生的冲击可想而知。又如，德国米勒公司新设计的一 款洗衣机内桶表面结构仿造蜂巢和龟背壳形状，所洗的衣服非常干净，但洗涤过程却非常柔顺，不伤衣料。据统计，我国每年洗衣机更新量为500万台，有关专家已经担忧，一旦这种仿生洗衣机进入市场，将大大挤压我国的洗衣机市场。 3.5将仿生研究纳入国家战略
机器人、纳米自洁涂料、生物农药„„仿生科研在本市和全国其它城市的不少领域已有开展，但始终难以形成规模产业，缘于仿生学缺乏系统的研究规划和研究体系，因此源头创新性研究还远远不够。为此有关专家认为，科研主管部门、科技界和产业界都应转变观念和视角，从模仿国外转变为模仿自然，向大自然汲取科技创新的灵感。 仿生材料在日常生活中的应用.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。
仿生材料研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”，作为其主要成果的机器人发展迅速。其中微小型机器人技术是近年来伴随微机械学、微电子学、信息网络、计算机技术、仿生技术、新材料和新能源等迅猛发展而形成的新兴前沿高技术研究方向。近十年来，世界各国特别是西方发达国家十分重视微小型机器人技术研究，它在未来家庭服务、极限作业、危险救灾等方面将发挥不可替代的作用。世界先进国家在水下仿生航行体、模块化履带式侦察机器人、反恐排爆机器人、微型飞行器与自主导航驾驶仪等方面具有创新性研究特色，正在开展相关应用示范研究，也取得丰硕成果。诸如仿生蝙蝠、仿生苍蝇、仿生蜻蜓、仿生蜘蛛等机器动物的问世，便是仿生学研究的成果。 四.仿生材料正在发展的方向.
4.1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,能够分离溶解在水中的氧气,供给身体使用。人们仿造这种特性,制作了薄膜材料,用于制造高浓度氧气、分离超纯水等,以达到节省能源以及高分离率的目的 。目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料,如果研制成功的话,人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。
4.2超能吸水—植物也为我们提供了许多有趣的现象,例如我们常见的西瓜是一种含水量极高的水果,在它的启发下,人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂,它是用特殊设计的高分子材料制造的,能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水份,现在已用于废油的回收,既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话,将来液体的包装和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如,将来的饮料就不再是用现在的杯子来装,而是只要用一片薄膜即可
五.仿生材料未来的研究方向.5.1根据时代的不断发展和纳米技术的不断成熟,纳米型仿生材料必定成为未来仿生材料研究人不懈努力的方向, 各种各样的纳米仿生材料的功能需求使人们再次走进自然做仿生此材料, 5.2能量重组—生物为了维持生命,能够非常高效地进行各种能量之间的相互转换,这是在广阔的生物界都能看到的现象。例如,人们对萤火虫的发光机制作了研究,其发光原因是由于化学能高效率地转化为光能。虽然人类在化学领域中已体验了遗传信息的钥匙- 核酸的魅力,在试管中实现其功能的研究也取得了很大的进步,但是像萤火虫的这种能量变换方法目前人类还做不到。随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭,人类寻求新能源的任务已迫在眉睫,如果能够找到象某些生物那样能够高效率地进行能量变换或者能量重组的材料与方法,将为人类的未来带来希望和光明。
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。 在材料科学领域，许多发明和成果的最初灵感，都来自大自然中某些生物的启示，这就是通常所谓的仿生材料。例如，广为人知的“莲花效应”，就是人们从荷叶表面的某些特性发现的——荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留；水滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带走。受此启发，人们发明了自洁窗户和先进的外墙涂料。
又如，研究发现，海洋生物乌贼和斑马鱼天生有一种改变自身颜色的能力，这是由它们体内的色素细胞决定的。受此启发，人们最终发明了一种“电致变色聚合物”的纤维，它可依据所施加的电场改变颜色。
之所以具有这种功能，是因为它的化学链中的电子可以吸收不同波长的光线。因此，在将电线与一组蓄电池连接后，这种纤维织物的每个交叉点都将变成一个如同电视或电脑屏幕上的小光点，即像素。穿上用它制成的服装，人们就可以根据自己的心情和所处环境的需要，通过微型开关来调控服装的颜色，使自己与周围环境的色彩融为一体，所以这种服装又被称作“变色龙”服装。如果用它制成军服或帐篷，就可以使前线的士兵完全“消失”在背景里。 最近，科学家又将目光投向了蚕茧。英国牛津大学的戴维·波特等人研究了蚕茧的结构，发现它那质轻、强韧、多孔的特性不仅可以保护蚕蛹不受外界威胁的伤害，而且作为理想的参照物，可据此开发出先进的“仿生复合材料”，用来制造防护性头盔和轻型装甲，这对于那些经常遭遇路边炸弹等爆炸物威胁的人群来说，无疑可以起到减少伤亡、挽救生命的作用。同时还可以开发出用于汽车外壳的防冲撞新材料，增强汽车的安全性。
与此同时，一种名为“螳螂虾”的甲壳纲动物也引起了科学家的兴趣。这种小动物既非螳螂也非虾，只是因为长相相似而得名。螳螂虾以蜗牛、螃蟹等动物为食，能用钳子般的前螯击碎它们的外壳，力度高达500牛顿。
美国哈佛大学的詹姆斯·韦弗等人研究发现，螳螂虾进化出了很特别的身体结构，如它那复杂的复眼能看到从紫外线到红外线的各种光线。更令人惊奇的是，它的螯里面有一种比现有合成材料更牢固和坚韧的多重结构，每个都能抵御灾难性破损；即使它的螯在雨点般的敲击后受损，其身体也会安然无恙。
通过纳米级的剖析，研究人员进一步发现，螳螂虾的螯之所以具有极强的抗撞击能力，还因为它的体内有3种矿物成分和功能各不相同的区域：其一是在准备出击时，螳螂虾会把螯团成一个大头棒，其厚度是相邻附器的5倍。第二个区域叫撞击区，也就是螯的外层，它含有羟磷灰石，这种薄薄的物质也出现在脊椎动物的骨骼和牙齿中，厚度只有50～70纳米。通常情况下，这样的薄层很容易碎裂，但它下面有一层脱乙酰几丁质，可以分散撞击力并防止裂痕扩散。第三个区域分布在螯的侧面，硬度更低一点，有助于进一步分散撞击力。正是靠着这种特殊的三叉结构，螳螂虾的螯坚韧无比。
模仿这种构造，有可能帮助人们研制出更好的防弹服——目前的防弹复合材料主要使用硅酸盐、玻璃纤维、特富龙和橡胶，其性能远不如螳螂虾的天然材料。除了可用作防弹服外，这种多层生物复合材料还可用来制造多种其他高强度有机混合材料，如工业陶瓷等，或者为它们的研发提供重要借鉴。
仿生材料领域取得的累累硕果，正在改变因成本不断上涨和原材料日益稀缺而陷入困境的某些行业，其发展前景十分看好。
