仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

超疏水——从自然到仿生

世界第一高楼．阿联酋迪拜的BurjDubai正在紧张施工中，现已建到110层以上。据内部消息，最终高度可能是828米。“迪拜塔”将有160层，其设施包括旅馆、购物中心、办公楼和豪华公寓。到时候，人们可以惬意地坐在高耸入云的楼上，悠然地喝着咖啡，欣赏窗外缓慢飘过的白云。     

从材料发展到高分子材料科学与工程

1.材料的概念新版辞海中刊载说,除材料泛指一般供参考用的资料之外,在加工工业中,一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原料”,把经过工业加工的原料(如钢材、水泥)称为“材料”;二者合称为“原材料”。经济合作和发展组织(OECD)对材料给予的权威性定义为:“材料是供作单独地或组合式地履行相当持久性功能的固体物质”。     

大有可为的仿生材料学

美国戴顿研究所正在研究甲壳虫是如何将糖及蛋白质转化成为质轻然而强度很高的坚硬的外壳;华盛顿大学的研究人员正在试图揭示蜘蛛吐出的水溶蛋白质是如何变成不可溶的丝,而丝的强度竟比防弹背心材料还要坚韧;普林斯顿大学的科学家们正在探索鲍鱼(古称石决明)是如何将海水中的白垩(碳化钙)结晶,并将其转化成强度两倍于高级陶瓷的贝壳。此外,自然界中还有许许多多具有神奇功能的普通物质,例如锋利的鼠牙竟可以咬透金属罐头盒;胡桃木及椰子壳     

从脑波游戏到仿生义肢——靠意念操控行为的新进展

手脚一动不动,仅凭意念就可以让眼前的小球浮起或落下;不用任何键盘、鼠标,屏幕上的跑车就会随心所欲地冲上赛道,一决雌雄……如此超人一般神奇的画面不是科幻小说中的情节,也不是好莱坞拍摄＂未来世界＂的片场,而是利用脑波操控的一种超现实版游戏。     

拜蜜蜂为师--浅谈仿生建筑学

蜜蜂不但给人酿造了甜美的蜂蜜,它还是个天才的“建筑师”。蜂巢是蜜蜂居住与繁衍的场所,如果需要,蜜蜂能在一昼夜用蜂蜡建造起几千间住宅,这种本领使得人类的建筑师见形见拙。     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

可控释淫羊藿苷的仿生组装骨诱导修复材料

中药来源的植物黄酮淫羊藿苷具有良好的成骨药理活性, 其来源广泛、价格低廉、性质稳定, 有望作为一种新的成骨因子应用于骨组织工程研究. 本研究采用原位复合和冷冻干燥技术, 探索性地仿生构建了淫羊藿苷-壳聚糖/羟基磷灰石(淫羊藿苷-CS/HA)复合材料, 并对其物理特征、力学性能、体外细胞相容性、药物控释行为和原位骨缺损修复进行了研究. 结果表明: 淫羊藿苷载药过程对CS/HA复合材料的物理结构无显著影响, 对其力学性能的影响与载药剂量相关; 该材料细胞相容性良好, 可诱导人骨髓间充质干细胞向成骨方向分化; 在体外释药缓慢, 对所载淫羊藿苷的控释时间可达90 d以上; 另外, 体内骨修复试验亦证明该材料具有良好的骨传导性和骨诱导活性, 能有效填充骨缺损并促进早期成骨. 这些结果都说明淫羊藿苷-CS/HA复合材料是一种理想的骨组织工程诱导修复材料, 其制备方法可为载药支架材料研究提供新的思路.     

从原子到晶体的材料硬度研究

基于单位体积的抓电子能量, 将硬度概念由原子硬度、离子硬度拓展到了键硬度, 在这三个微观层次上研究了材料硬度的本质. 研究发现, 材料的硬度与其组成原子或离子的硬度没有直接关系, 而与其组成化学键的硬度直接相关, 本质上取决于其单位体积组成化学键的抓电子能量, 并由此建立了鉴别宏观材料硬度的微观模型. 该工作有助于人们在原子水平上认识材料硬度的本质, 对于探索新型超硬材料具有重要的理论指导意义和实际应用价值.     

具有黏附方向性及自适应性的仿生湿吸足垫研究

以竹节虫的光滑足垫为仿生原型, 提出一种用于爬壁机器人的新型黏附足垫, 内部具 有倾斜的仿纤维结构, 表面有花纹微结构, 基于湿吸机理产生黏附力. 首先对湿吸模型进行 讨论, 在此基础上对足垫结构进行设计; 然后对足垫的黏附方向性及自适应性进行深入分析; 最后基于亲水性、黏弹性较强的热塑性弹性体(TPE)材料制备足垫. 实验结果表明, 提出的足 垫具有较好的湿吸特性, 在薄水膜介导下, 法向黏附力约为0.65 N, 摩擦力约为3 N, 足垫表 现出良好的黏附方向性及负载自适应性.     

地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

从高斯公式到高斯定理

高斯定理是静电学的一个重要定理.文章利用高等数学中高斯公式来推导高斯定理,比较自然地引入静电场高斯定理,从而使学生对高斯定理有更深的理解.     

运动仿生的前沿:从感知到运动

正运动仿生是动物行为学和机器人学交叉的新领域,是仿生科学与工程的重要分支,其内涵包括揭示动物运动的机构结构、感知控制和行为规律,指导仿生机器人的设计.运动是动物的基本行为属性,也是仿生智能机器人等人造系统的重要特征之一.运动是动物对外部环境和内部状态变化的一种行为反应,该行为涉及到动物的环境感知、信息整合、运动指令产生、肌群驱动、关节运动、肢体与外界的相     

麝香酮中间体的仿生合成

名贵香料麝香酮天然来源稀少,它的人工合成一直是有机合成中的一个研究热点和难点。模拟四氢叶酸辅本酶转移一碳单元的反应,利用苯并咪唑盐与格利雅试剂的加成－水解反应,以有机杂环化合物苯并咪唑盐作为甲酸氧化态的四氢叶酸辅酶模型,以双格利雅试剂作为接受一碳单元转移的新核试剂,成功地实现了麝香桐中间体２,１５－十六二酮的仿生合成,为麝香酮提供了一种有重要实用价值的合成方法。     

三维原子探针--从探测逐个原子来研究材料的分析仪器

材料是科学技术和国民经济发展的重要基础,研究和开发先进材料,满足科学技术发展的要求,是材料研究工作者的永恒主题.材料的成分和加工工艺,决定了材料的显微组织,而材料的性能又与显微组织有着密切的关系.因此,研究材料的显微组织是研究开发先进材料的工作基础,而充分并正确利用现代的各种分析仪器,是研究显微组织的关键.本文介绍了一种能够分析逐个原子的仪器——三维原子探针,用这种仪器可以了解金属材料中不同合金元素在微区中不均匀分布的问题;可以了解合金元素在各种界面及晶体缺陷处的偏聚分布;可以了解显微组织变化初期时只有数十个不同原子发生团聚时的过程.三维原子探针是目前最微观的分析仪器,能够进行成分的定量分析,在研究金属材料的许多问题时都可以发挥重要的作用.     

基于细胞膜仿生策略的纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用

随着纳米技术的发展,纳米颗粒凭借其物理、化学、生物学优势被广泛应用于医学领域。然而,生物安全性差、血液循环时间短、靶向能力弱等缺点,仍然限制着纳米颗粒在肿瘤治疗方面的应用。作为一种天然生物材料,细胞膜拥有独特的生物学性质。细胞膜仿生策略赋予纳米颗粒不同的生物学性质,弥补了纳米材料本身的不足,扩大了纳米颗粒在肿瘤治疗方面的应用。文章主要介绍细胞膜仿生纳米颗粒的制备方法以及膜仿生策略在肿瘤治疗中的应用与研究。