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1、第六章第六章l 绪论绪论l 智能仿生材料智能仿生材料l 天然天然生物材料的结构特征与仿生生物材料的结构特征与仿生l 生物体生物体的表面性能及其的表面性能及其仿生纳米仿生纳米 界面材料界面材料主要内容主要内容长颈鹿长颈鹿萤火虫萤火虫乌龟乌龟苍蝇苍蝇蝴蝶蝴蝶甲虫甲虫蝙蝠蝙蝠冷光冷光一次可拍一次可拍13291329张的照相机张的照相机二元化武器二元化武器雷达雷达宇航员的失重现象宇航员的失重现象薄壳建筑物薄壳建筑物迷彩服迷彩服仿生仿生模仿生物的某些结构和功能来发明创造各种模仿生物的某些结构和功能来发明创造各种仪器设备，这就是仿生仪器设备，这就是仿生。6.1 6.1 仿生学概述仿生学概述仿生学仿生学(
2、(BionicsBionics) )：模仿生物系统的结构、形状、模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或者建造技术系统，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，仿生学就是科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物的科模仿生物的科学学”。仿生学是一门生命科学、物质科学、信息科学、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。边缘科学。长颈鹿的血液循环系长颈鹿的血液循环系统为人类的载人航天统为人类的载
3、人航天事业起到了至关重要事业起到了至关重要的作用的作用水母水母的顺风耳，仿照水的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测设计了水母耳风暴预测仪，能提前仪，能提前1515小时对风小时对风暴作出预报，对航海和暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意渔业的安全都有重要意义。义。 宝马宝马H2RH2R氢燃料汽车外型和设计氢燃料汽车外型和设计的灵感来自的灵感来自海豚、企鹅海豚、企鹅的低阻的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾身材。圆鼓的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其部，极小的正锋面，成就了其0.210.21的阻力系数。同样，尺寸的阻力系数。同样，尺寸庞大的宝马庞大的
4、宝马7 7系得益于其流线造系得益于其流线造型，阻力系数也仅为型，阻力系数也仅为0.290.29。 美国研发出一款举世无美国研发出一款举世无双的双的“海豚潜艇海豚潜艇”，它，它不仅在外形上酷似海豚，不仅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一样时而而且能像海豚一样时而潜入水中，时而跃出水潜入水中，时而跃出水面做出惊险刺激的翻腾面做出惊险刺激的翻腾动作。动作。仿生材料仿生材料（Bio-inspired）： 受受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。的材料。 材料材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的结构特征的成分、结构仿
5、生成分、结构仿生、模仿生物体中形、模仿生物体中形成材料的成材料的过程和加工制备仿生过程和加工制备仿生、模仿生物体系、模仿生物体系统功能的统功能的功能仿生功能仿生。6.2 6.2 智能仿生材料智能仿生材料 从从仿生学的观点出发仿生学的观点出发，仿生智能材料，仿生智能材料应具有或应具有或部分具有下列生物功能：部分具有下列生物功能：(1)(1)有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出有反馈功能，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；信息进行比较，并将解结果提供给控制系统；(2)(2)有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感有信息积累和识别功
6、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；网络得到的各种信息，并进行分析和解释；(3)(3)有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动；外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动；( (5)5)有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损来修补某些局部破损；( (7)7)有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调整自
7、身的内部结构，从而改变自己的行为，条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境作出响应以一种优化的方式对环境作出响应。(6)(6)有自诊断功能，能对现在和过去的情况作比较，从而能有自诊断功能，能对现在和过去的情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正；对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正；(4)(4)有响应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身有响应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出响应；并作出响应；例：例：昆虫昆虫复眼感光膜的视觉复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构神经纤维具微纳米结构（由紧密排列的柱状的（由紧密排列的柱状的
8、微绒毛构成，绒毛的长微绒毛构成，绒毛的长度约度约1-2um、直径约、直径约60nm)；应用复眼机制，可制造应用复眼机制，可制造出极薄的感知器。出极薄的感知器。生命体中特殊机能的智能化大生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关。多与其微观结构密切相关。存活了存活了3 3亿年的昆虫亿年的昆虫- -蟑螂蟑螂从感知风速到逃跑只需从感知风速到逃跑只需0.0440.044秒，人类需要秒，人类需要0.30.3秒秒尾肢可对秒数尾肢可对秒数2 2公分的风做公分的风做出反应出反应可做微流速感知器可做微流速感知器昆虫的触角可感知昆虫的触角可感知区区区区1个分子，并找个分子，并找出数公里外的气味出数公里外的气
9、味源源模仿家蚕蛾的神经模仿家蚕蛾的神经网络，设计出气网络，设计出气味源探测器味源探测器六角形组成的的六角形组成的的蜂巢结构，既轻蜂巢结构，既轻又坚固又坚固日本新干线车厢日本新干线车厢采用铝蜂巢结采用铝蜂巢结构构此结构也用于机此结构也用于机翼上翼上鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起，这些突突起，这些突起在水中具有整流效果，可以减少水的阻力，从而使起在水中具有整流效果，可以减少水的阻力，从而使鲨鱼在水中能够快速前进。鲨鱼在水中能够快速前进。 能量重组能量重组：人们人们对萤火虫的对萤火虫的发光机制作了研究发光机制作了研究, ,其发光原其发光原因是由于化学能高效率
10、地转化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为光能。虽然人类在化学领域中已体验了遗传信息的钥匙中已体验了遗传信息的钥匙- - 核酸的魅力核酸的魅力, ,在试管中实现其在试管中实现其功能的研究也取得了很大的进功能的研究也取得了很大的进步步, ,但是像萤火虫的这种能量但是像萤火虫的这种能量变换方法目前人类还做不到。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随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭逐渐枯竭, ,人类寻求新能源的人类寻求新能源的任务已迫在眉睫任务已迫在眉睫, ,如果能够找如果能够找到象某些生物那样能够高效率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地进行能量
11、变换或者能量重组的材料与方法的材料与方法, ,将为人类的未将为人类的未来带来希望和光明。来带来希望和光明。 萤火虫的发光，简单来说，是荧萤火虫的发光，简单来说，是荧光素光素（在蓝光或紫外线照射下，发出绿在蓝光或紫外线照射下，发出绿色荧光的一种黄色染料色荧光的一种黄色染料 ）在催化下发在催化下发生的一连串复杂生化反应；而光生的一连串复杂生化反应；而光即是这个过程中所释放的能量。即是这个过程中所释放的能量。 超能吸水超能吸水：我们我们常见的西瓜是常见的西瓜是一种一种含水量极高含水量极高的水果的水果, ,在它在它的启发下的启发下, ,人们研制了一种与人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水西瓜纤维
12、素构造相似的超吸水性树脂性树脂, ,它是用特殊设计的高它是用特殊设计的高分子材料制造的分子材料制造的, ,能够吸收超能够吸收超越越自身重量数百倍到数千倍的自身重量数百倍到数千倍的水份水份, ,现在已用于废油的回收现在已用于废油的回收, ,既经济又高效。这种材料如果既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话进一步得到完善的话, ,将来液将来液体体的包装和输送就可能用一种的包装和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如全新的技术来代替。比如, ,将将来的饮料就不再是用现在的杯来的饮料就不再是用现在的杯子来装子来装, ,而是只要用一片薄膜而是只要用一片薄膜即可即可 。又叫水瓜，寒瓜又叫水瓜，寒瓜,
13、,夏瓜，因在汉代从西夏瓜，因在汉代从西域引入，故称域引入，故称“西瓜西瓜”。西瓜味道甘甜。西瓜味道甘甜多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能祛暑热烦渴，因此有祛暑热烦渴，因此有“天然的白虎汤天然的白虎汤”之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外，几之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外，几乎含有人体所需的各种营养成分，是一乎含有人体所需的各种营养成分，是一种富有营养种富有营养, ,纯净，食用安全的食品。纯净，食用安全的食品。 仿生空心结构材料：仿生空心结构材料：自然界自然界中很多生物都是采用中很多生物都是采用多通道多通道的超细管状结构，的超细管状结构，例如许多例如许多植物的茎都是中
14、空的多通道植物的茎都是中空的多通道微米管，使其在保证足够强微米管，使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料，为减料及输运水分和养料，为减轻重量以及保温，鸟类的羽轻重量以及保温，鸟类的羽毛也具有多通道管状结构，毛也具有多通道管状结构，许多极低动物的皮毛具有多许多极低动物的皮毛具有多通道或者多空腔的微通道或者多空腔的微/ /纳米管纳米管状结构，具有卓越的隔热性状结构，具有卓越的隔热性能。能。蜘蛛丝结构：蜘蛛丝结构：直径约为几个直径约为几个微米（人发约为微米（人发约为100100微米），微米），是由一些原纤的纤维束组成，是由一些原纤的纤维束组成，原纤是几个厚
15、度为纳米级的原纤是几个厚度为纳米级的微原纤的集合体，微原纤是微原纤的集合体，微原纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物化合物。仿生仿生强韧纤维材料：强韧纤维材料：蜘蛛丝蜘蛛丝经过四亿年的进化，实现了经过四亿年的进化，实现了结构与功能的统一，是世界结构与功能的统一，是世界上最强韧的材料之一，天然上最强韧的材料之一，天然蜘蛛丝其抗拉强度超过了人蜘蛛丝其抗拉强度超过了人类自制的钢和凯夫拉类自制的钢和凯夫拉（根据（根据科学家计算，一束铅笔粗细科学家计算，一束铅笔粗细的蜘蛛丝可以使一架正在飞的蜘蛛丝可以使一架正在飞行中的波音行中的波音747747飞机停下来。飞机停下来。 6.36.3
16、 天然生物材料的结构特征与仿生天然生物材料的结构特征与仿生一、贝壳和珍珠的层状叠片结构一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿生与仿生贝壳贝壳的成分的成分主要是碳酸钙主要是碳酸钙和和少量的少量的壳基质壳基质构成，这些物质是由外套膜构成，这些物质是由外套膜上皮细胞分泌形成的。上皮细胞分泌形成的。贝壳的结构一般可分为贝壳的结构一般可分为3 3层：层：最外一层为最外一层为角质层角质层，很薄，透明，很薄，透明，有光泽，有光泽，由壳基质构成由壳基质构成，不受酸碱，不受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。的侵蚀，可保护贝壳。中间一层为壳层，又称中间一层为壳层，又称棱柱层棱柱层，占，占贝壳的大部分，贝壳的大部分，由极细的由极细
17、的棱柱状棱柱状的的方解石方解石（CaCOCaCO3 3, , 三方晶系）三方晶系）构成构成。最内一层为壳底最内一层为壳底, ,即即珍珠质层珍珠质层，富光，富光泽，泽，由小平板状的结构单元累积而由小平板状的结构单元累积而成成、成层排列，组成成分是、成层排列，组成成分是多角片多角片型型的的文石结晶体（文石结晶体（CaCOCaCO3 3, , 斜方晶斜方晶系）系）。 贝壳和珍珠在断裂前能经贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有受较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要原优异的高韧性。其主要原因是由于因是由于裂纹偏转、纤维裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基（晶片）拔出以及有机基质桥接质桥接等各
18、种韧化机制协等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊化机制又与珍珠层的特殊组成、结构密切相关。组成、结构密切相关。贝壳是的强、韧的最佳配贝壳是的强、韧的最佳配合合, ,它又被称为它又被称为摔不坏的摔不坏的陶瓷陶瓷。针对珍珠层特有的生物特征，清华大学模仿珍珠层的两级增韧针对珍珠层特有的生物特征，清华大学模仿珍珠层的两级增韧机制，设计制备出仿珍珠层的具有较高强度和韧性的复合机制，设计制备出仿珍珠层的具有较高强度和韧性的复合陶瓷陶瓷。二、骨骼的二、骨骼的分级结构分级结构与仿生与仿生松质骨和密质骨松质骨和密质骨例：长骨例：长骨 两端骨骺（松质骨）两端骨骺（松质
19、骨） 中间骨干（密质骨）中间骨干（密质骨）骨的主要有机相：胶原纤维（三股螺旋结构）骨的主要有机相：胶原纤维（三股螺旋结构）松质骨，羟基磷灰石松质骨，羟基磷灰石+ +胶原基体胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维密质骨，薄层胶原纤维+ +矿物晶体矿物晶体长骨的分级结长骨的分级结构示意图构示意图 仿骨哑铃型晶须研制仿骨哑铃型晶须研制 动物的长骨，其构造特点为中部细长，骨质致密；两端粗大，动物的长骨，其构造特点为中部细长，骨质致密；两端粗大，骨质疏松。骨质疏松。 凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度高的区域。凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度高的区域。 长骨两端粗大，一方面在长骨两端粗大，一方面在受压时减缓压
20、应力的冲击受压时减缓压应力的冲击，另一方，另一方面在与肌肉组织的协调配合上，面在与肌肉组织的协调配合上，粗大的端部有利于应力传递粗大的端部有利于应力传递，更更有效地发挥骨质致密的中段骨头的有效地发挥骨质致密的中段骨头的承力作用承力作用。这种骨头与肌。这种骨头与肌肉的有效配合，使得肢体的比强度和持重比提高。肉的有效配合，使得肢体的比强度和持重比提高。 哑铃型晶须及其制备方法哑铃型晶须及其制备方法三三、仿生自愈合材料、仿生自愈合材料生物愈合过程是有一些共性的。生物愈合过程是有一些共性的。（1 1）愈合过程是由损伤而引起的愈合过程是由损伤而引起的，在生命机能没，在生命机能没有受到致命伤害的情况下，损
21、伤是启动愈合机制有受到致命伤害的情况下，损伤是启动愈合机制的最基本条件；的最基本条件；（2 2）在愈合初期，损伤逐渐被由损伤刺激而产生）在愈合初期，损伤逐渐被由损伤刺激而产生的增生组织所填充；的增生组织所填充；（3 3）通过机体的输运、化学反应，填充在损伤部）通过机体的输运、化学反应，填充在损伤部位的物质位的物质( (如薄壁组织、凝块等如薄壁组织、凝块等) )发生变化，强度发生变化，强度提高，构成与周围组织的有效连接；提高，构成与周围组织的有效连接；（4 4）愈合过程需要一定的物质及能量供应，以产）愈合过程需要一定的物质及能量供应，以产生填充损伤的组织，而向损伤处世行物质供应的生填充损伤的组织
22、，而向损伤处世行物质供应的输运过程都有液相的参与；输运过程都有液相的参与；（5 5）生物的愈合是使损伤处的有效连接恢复。生物的愈合是使损伤处的有效连接恢复。受生物体损伤自动愈合的启受生物体损伤自动愈合的启发，发， WhiteWhite组研究并报道了组研究并报道了一种具有自动修复裂纹能力一种具有自动修复裂纹能力的聚合物材料。这种材料嵌的聚合物材料。这种材料嵌有内装修复剂的微胶囊，每有内装修复剂的微胶囊，每个微胶囊约有头发丝宽，这个微胶囊约有头发丝宽，这些微胶囊遇到裂纹入侵时破些微胶囊遇到裂纹入侵时破裂，并通过毛细作用释放修裂，并通过毛细作用释放修复剂到裂纹面，修复剂接触复剂到裂纹面，修复剂接触预
23、先埋入环氧基体的催化剂预先埋入环氧基体的催化剂而引发聚合，键合裂纹面。而引发聚合，键合裂纹面。这种损伤诱导的引发聚合使这种损伤诱导的引发聚合使得裂纹修复实现了就地自动得裂纹修复实现了就地自动控制控制四、竹木结构及其仿生四、竹木结构及其仿生木纤维细胞壁构成：木纤维细胞壁构成：短链高分子半纤维素缔结物质短链高分子半纤维素缔结物质+ +纤维素集束成微纤丝的骨架纤维素集束成微纤丝的骨架物质物质+ +块状高分子木素硬化物质块状高分子木素硬化物质复合结构：类似混凝土，有强度又有韧性复合结构：类似混凝土，有强度又有韧性木纤维微观结构示意图木纤维微观结构示意图仿竹木结仿竹木结构的纤维构的纤维独石结构独石结构陶
24、瓷材料陶瓷材料 6 6.4 .4 生物体生物体的表面性能及其的表面性能及其仿生仿生 纳米界面纳米界面材料材料1 1、粗糙结构、粗糙结构荷叶荷叶效应效应荷叶粗糙表面上有微米结荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为构的乳突，平均直径为5-5-9um9um，单个乳突又是由平均，单个乳突又是由平均直径约为直径约为124.3nm124.3nm的纳米结的纳米结构分支组成，乳突之间的构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构。表面同样存在纳米结构。微米微米- -纳米的分级复合纳米的分级复合结构结构单一微米或纳米结构示意图（上）单一微米或纳米结构示意图（上）微米微米- -纳米的分级复合结构示意图纳米的分级
25、复合结构示意图（下）（下）由于微、纳米结构并存，大由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面凸之间，水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒毛相乳突的部分蜡质晶体绒毛相接触。接触。在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结
26、构，它动角。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。 2 2、表面各向异性、表面各向异性水稻叶水稻叶表面存在类似于荷叶表面微表面存在类似于荷叶表面微/ /纳米结合的阶层结构，纳米结合的阶层结构，但但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列有序，在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列有序，而沿着垂直方向呈无序的任意排列，水滴在这两个方向而沿着垂直方向呈无序的任意排列，水滴在这两个方向的滚动角也不相同，其中沿平行方向为的滚动角也不相同，其中沿平行方向为3-53-5，垂直方向，垂直方向为为9-159-15。 类水稻叶表面碳
27、纳米管薄膜类水稻叶表面碳纳米管薄膜蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成每条带由倾斜的周期性片层堆积而成。3. 3. 昆虫昆虫翅膀表面的自清洁性翅膀表面的自清洁性RORO不滚动不滚动蝴蝶蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（以身体为中心轴向外发散方向（RORO方向）倾斜，水滴方向）倾斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂直易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂直RORO的两个方向，的两个方向，水滴不易滚离。水滴不易滚离。在在水面行走的昆虫水面行走的昆虫水黾
28、水黾水黾水黾的腿能排开的腿能排开300300倍倍于其身体体积的水量，于其身体体积的水量，它的一条腿能在水面上它的一条腿能在水面上支撑起支撑起1515倍于身体的重倍于身体的重量，它在水面上每秒钟量，它在水面上每秒钟可滑行可滑行100100倍于身体长倍于身体长度的距离。度的距离。 水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现，宏观上表现出水黾腿的
29、超疏水特性。出水黾腿的超疏水特性。 哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并将其制作哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并将其制作成数艘邮票大小的成数艘邮票大小的“微型船微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承载超过自身最大排水量由漂浮，且可承载超过自身最大排水量50%50%以上的重量，甚至以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。船。船表面表面的超疏水结构可在船外表面
30、形成的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫空气垫”，改变了船与水的，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿。接触状态，防止船体表面被水直接打湿。 模仿水黾模仿水黾-新型超级浮力材料新型超级浮力材料模仿水黾模仿水黾“水上漂水上漂”功夫的机功夫的机器人器人 在在墙壁上行走的动物墙壁上行走的动物壁虎壁虎 壁虎壁虎的每只脚底长着大约的每只脚底长着大约5050万根万根极细的刚毛（长极细的刚毛（长100um)100um)，刚毛末端又，刚毛末端又有约有约40010004001000根更细小的分支根更细小的分支。 壁虎壁虎的脚底与物体表面之间的的脚底与物体表面之间的黏黏附力附力来自于刚毛与物体表面分子
31、之间来自于刚毛与物体表面分子之间的的“范德华力范德华力”的累积（范德华力是的累积（范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生的中性分子彼此距离很接近时，产生的一种微弱的电磁引力）。一种微弱的电磁引力）。 壁虎壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐排列的刚毛上。由于粘附发生在整齐排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与吸引在单个或力所吸引在爬行基底与吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在着多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。不均匀性，从而导致表面的自清洁性。 壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在绒毛表面，而不
32、是粘在绒颗粒堆积在绒毛表面，而不是粘在绒毛上，因此在堆积到一定程度之后脏毛上，因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。物颗粒在重力的作用下就会脱落。 仿生应用仿生应用-仿生壁虎脚仿生壁虎脚 利用利用结构可控的直立型结构可控的直立型碳纳米管阵列制成碳纳米管阵列制成（4 44 4）平方）平方毫米的碳纳米毫米的碳纳米管阵列自吸附管阵列自吸附在垂直玻璃的在垂直玻璃的表面上悬挂一表面上悬挂一瓶约瓶约650650克的瓶克的瓶装可乐饮料；装可乐饮料；自吸附在垂直自吸附在垂直的砂纸表面上的砂纸表面上悬挂一个金属悬挂一个金属钢圈。钢圈。“壁虎机器人壁虎机器人”具有粘性脚足，足底有数百万个极其微小
33、的毛发具有粘性脚足，足底有数百万个极其微小的毛发( (由锐利由锐利的锥形人造光纤制成的锥形人造光纤制成) )。“粘虫粘虫”通过模仿壁虎的奇特步法，包括其优雅通过模仿壁虎的奇特步法，包括其优雅的脚趾卷曲，可以在玻璃墙、瓷砖或白色书写板上以的脚趾卷曲，可以在玻璃墙、瓷砖或白色书写板上以4 4厘米厘米/ /秒的速度爬秒的速度爬行。行。仿生壁虎胶带仿生壁虎胶带- -壁虎机器人壁虎机器人4. 4. 自然界自然界中的结构中的结构颜色颜色自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或矿物经过自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或矿物经过进化却选择了结构颜色。进化却选择了结构颜色。结构颜色结构颜色： 依靠
34、自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。颜色。静态色：静态色： 指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色动态色：动态色： 指那些可随周围环境及条件变化的颜色指那些可随周围环境及条件变化的颜色 变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色具有结构色及动态色的生物大都由光子晶体组成。具有结构色及动态色的生物大都由光子晶体组成。蛋白石蛋白石是由二氧化硅纳米球是由二氧化硅纳米球( (nanonano-sphere)-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色
35、素无关纷的外观与色素无关，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方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，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反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩 。（1 1）天然蛋白石）天然蛋白石光子晶体：光子晶体：指能够影响光子运动的规则光学结构指能够影响光子运动的规则光学结构，是是由不由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。）光子晶体）光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。百年。 蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。构，选择性反射日光的结果。 （2 2）色彩斑斓的蝴蝶翅膀色彩斑斓的蝴蝶翅膀20um10um仿蝴蝶结构仿蝴蝶结构光子晶体材料光子晶体材料的研发可的研发可以利用在纺织染色行业，以利用在纺织染色行业，减少化学染料对环境的减少化学染料对环境的污染）污染）