纤维之星——人造蜘蛛丝

小小的蜘蛛用体液抽出晶莹的长丝,编织一张张圆网,捕捉虫蛾为食物。人类从蜘蛛丝的突出优点中得到启示,正在努力实现人造蜘蛛丝的梦想。在这一领域中探寻的是美国康奈尔大学的应用生命研究所所长詹林斯教授。 天然蜘蛛丝的直径为习微米左右,其单位截面积的牵引强度相当于钢的5倍。蜘蛛丝还具有卓越的防水和伸缩功能。詹林斯教授认为,如果制造出一种具有天然蜘蛛丝特点的人造蜘蛛丝,那么这种丝就具有广泛     

科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学，即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将它们应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学，是应用生物学的分支，是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理，将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛，小至微观世界的分子仿生，大至宏观世界的宇宙仿生，主要包括：(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等，研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等；(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等，研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等；(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机械结构和力学原理，研制昆虫步行机等机械装置，寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理；(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等；(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

让蜘蛛吐“钢丝

也许你不知道,同样粗的蜘蛛丝和钢丝相比,蜘蛛丝的强度竟是钢丝的100倍天然蜘蛛丝具有易被生物分解的毫微纤维构造,厚度虽仅为人类毛发的1/10,但当密蜂以超过30     

从自然界获取科学创新的灵感科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学,即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征,并将它们应用于技术系统,以改善现有的技术工程设备,创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学,是应用生物学的分支,是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理,将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造,或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛,小至微观世界的分子仿生,大至宏观世界的宇宙仿生,主要包括:(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等,研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等;(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运功控制、定向与导航等,研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等;(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动,运用机械结构和力学原理,研制昆虫步行机等机械装置,寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理;(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等;(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外,还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

试论中国古代“动态”特征的体育仿生学

体育仿生学是一门新兴的学科，一般划分为古代体育仿生和现代体育仿生．本文试以“动态”这一事物特有的外部表象来探讨中国古代体育仿生学，注重对古代养生保健操、百戏和武术中的动态仿生进行讨论。     

《中国学术期刊文摘》综述文摘选登

珍珠母的微结构与力学行为研究进展许艺(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京100190)珍珠母(nacre或mother-of-pearl)是软体动物贝壳内层的主要结构材料,具有优异的力学性能,已成为当前先进工程材料仿生设计和制备的研究热点。该生物材料具有完善的分级微结构,使其强度与韧性远高于组成这种材料的纯文石相。从珍珠母的微结构、实验研究以及力学模型3个方面对珍珠母的研究现状进行了概述,并指出目前研究中一些仍待解决的关键问题。     

液晶仿生材料与骨髓间充质干细胞体外培养的实验

目的:研究骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)与液晶仿生材料复合后体外培养的生长、增殖、形态等变化,探讨液晶仿生材料与BMSCs的生物相容性.方法:从仿生学的角度,合成在生理温度下呈现胆甾醇液晶态的羟丙基纤维素衍生物液晶材料,利用偏光显微镜、扫描电镜和表面静态水接触角等对改变性质后的液晶的物化性质进行表征,与BMSCs复合后在光学显微及电镜下观察培养3 d、6 d的细胞生长、增殖、形态学改变,流式细胞仪检测其表面抗原CD29、CD31、CD44、CD45表达情况.结果:BMSCs在液晶材料中生长、增殖良好,在整个过程都保持存活,表面抗原正常表达.结论:液晶仿生材料与BMSCs生物相容性良好,是可选的干细胞复合载体.     

住宅小区规划设计中的仿生学理念探讨

通过分析研究有关建筑仿生方面的文献资料,提取出一些仿生学理念,用于开拓住宅小区规划设计的新思路。适用于住宅小区规划设计的仿生学理念有:共生理念、新陈代谢理念、整体布局仿生理念、小区交通体系仿生理念及小区采光仿生理念。从仿生学这一全新视角出发,来指导住宅小区的规划设计,有助于住宅小区规划方面某些具体问题的有效解决,有助于协调住宅建筑和自然之间的相互关系,因此具有一定的现实意义。     

仿生多孔UHMWPE的有限元分析与磨损试验对比研究

从以土壤动物蚯蚓体表形态为仿生学基础的角度出发,通过仿生改型技术改变UHMWPE试件表面的形态,以标准试件为参照,设计了3种不同尺寸的仿生多孔形结构试件,并选用L9(34)表头来设计试验方案,将通过三维流固耦合分析所获得的仿生多孔试件和标准试件转动磨损过程中的等效应力、节点接触摩擦应力的分布情况与磨损试验所得数据结果进行对比分析.     

骨再生修复材料的仿生制备及生物分子调控矿化

采用冷冻干燥和纳米合成技术,仿生制备出BG-COL-HYA-PS骨修复材料,并利用体外仿生矿化实验、生物组装技术、动物体内植入实验和组织形态学观察以及扫描电镜(SEM)、能谱微区分析(EDS)、X射线衍射(XRD)等技术,对材料分别在模拟体液、培养液中以及体内的生物矿化及其调控机制进行了研究.实验表明,胶原蛋白、透明质酸、磷酸丝氨酸等生物分子作为天然细胞外基质,在调控矿化方面起到了重要作用;所制备的材料可促进骨再生修复.     

蜘蛛丝的结构与机械性能研究进展

蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性.为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述.     

仿生增强制备聚乳酸基骨组织工程复合材料

依据仿生原理制备了纳米羟基磷灰石聚乳酸(nHA-PLA)复合的骨框架材料.此复合材料中的主要成分是纳米羟基磷灰石,纳米相的羟基磷灰石就是天然骨中主要的无机相.在保持高孔隙率(90%)的同时,复合材料的抗压性能达到2.07 MPa,高于单纯的聚乳酸框架材料(为0.89 MPa).分离成骨细胞并在三维框架材料上培养,用扫描电镜进行观察,复合材料具有很好的细胞贴附性能.仿生制备的三维纳米羟基磷灰石聚乳酸复合骨框架材料,无论从结构还是性能上,都是骨组织工程中的优选材料之一.     

仿生叠层复合材料的研究现状与发展

一些天然的生物材料在结构和性能上具有优异的匹配性,这些结构特征为人工合成复合材料提供了一些有益的启示。文中在分析某些天然生物材料的强韧化机理的基础上,系统地介绍了仿生复合材料尤其是叠层复合材料的仿生设计原理、制备方法、主要研究内容和现状。指出考虑工艺参数的影响,制备出材料并建立相关条件下的仿生模型,对材料在应用领域的发展具有积极意义。     

仿生圆盘犁犁体设计与制作

圆盘犁犁体的工作方式和受力特点与其它触土部件有较大差异。本文从仿生学角度出发 ,基于土壤动物体表非光滑构成脱土原理 ,在标准型普通圆盘犁犁体上堆焊仿生几何非光滑结构单元 ,从而对圆盘犁犁体进行仿生设计制作 ,使之既满足耕作要求 ,又能减粘脱土 ,降低耕作阻力。文中确定了仿生几何非光滑结构单元的类型、数量、尺寸、分布和材料 ,分析了制作工艺方法 ,指出了具体的工艺流程 ,并制作完成了试验用仿生圆盘犁犁体 ,为仿生圆盘犁减粘降阻试验研究创造了条件。     

仿生叠层复合材料的研究现状与发展

一些天然的生物材料在结构和性能上具有优异的匹配性 ,这些结构特征为人工合成复合材料提供了一些有益的启示 文中在分析某些天然生物材料的强韧化机理的基础上 ,系统地介绍了仿生复合材料尤其是叠层复合材料的仿生设计原理、制备方法、主要研究内容和现状 指出考虑工艺参数的影响 ,制备出材料并建立相关条件下的仿生模型 ,对材料在应用领域的发展具有积极意义     

乙酰化稻草/PE复合材料的力学性能

由于植物纤维是极性、亲水性材料,塑料是非极性、疏水性材料,两种材料的界面相容性差,因此,分别以天然稻草和乙酰化稻草为填充体,以聚乙烯为基体,通过共混和挤出制备了PE/稻草复合材料.研究共混条件对微观结构和拉伸性能的影响,结果表明:天然稻草/PE复合材料内部有大量气泡,存在应力缺陷,其拉伸性能较差;稻草经乙酰化,极性和吸水性降低,与基体PE的界面相容性得到很大改善.在稻草质量分数相同的情况下,改性稻草WPC的拉伸强度、断裂伸长率分别约是天然稻草WPC的1.5倍和2倍.     

磷酸钙与胶原双相多级仿生骨组织工程支架研究

磷酸钙与胶原是天然骨组织的重要组成成分,介绍了一种仿生设计磷酸钙与胶原双相复合的多级仿生骨组织支架.采用双氧水发泡技术精确定制磷酸钙支架孔结构,结合真空灌注胶原以及仿生矿化技术,构建磷酸钙,胶原双相多级仿生骨组织支架,材料的孔结构及化学组分可实现定制设计.通过对支架材料测试表征,结果显示,这种无机/有机/无机多级仿生支架材有良好的力学性能.材料的体外细胞实验结果证实,这种多级仿生支架材料具有良好的生物相容性.     

仿生材料研究综述

生物与环境长期相互作用下形成了优异的功能与完美的结构,新型材料的发展对于推动社会进步的重要性不言而喻。仿生科学作为新型结构功能材料的研发新思路得到突破性发展。从一些天然材料的复合结构和优异功能出发,介绍了仿生材料的特点及其研究领域的一些成果。天然复合材料优良的力学性能,与材料的微观结构有显著直接关系。以天然材料作为设计思维的来源制作出高性能仿生材料,主要包括结构仿生材料与功能仿生材料,已经被应用于社会生产的多个领域。随着科技发展,计算机模拟作为一种高效、经济环保的设计方式,对于仿生材料发展有极大地推进作用。     

基于仿生学的未来食品工业展望

生命体经过漫长的进化,已经形成了一整套极其完善的利用食材制造其所需营养素的技术,许多生命活动与现有食品加工的单元操作有着异曲同工的效果。利用仿生学原理,向生命体学习,进行食品加工的理论与技术创新,正逐渐得到国内外食品加工技术研究领域的广泛关注。分析了人们受人体感官、食物消化、养分吸收、生物合成、生物材料、生物机构、生物成型的启示,进行食品加工技术创新的研究案例。从3个方面概括了未来食品工业仿生化发展的主要任务:1)重新认识生命活动。突破长期以来基于健康和生产(生长)的需要进行生命科学研究的局限性,建议从生命体制造其正常生长所需营养素的角度,重新研究生命活动,重新认识生命现象。2)深化已启动的仿生研究工作。根据对生命活动重新研究的结果,进一步对已经启动的仿生技术进行深入研究,挖掘新的创意。3)开拓新的仿生技术方法。通过比对,寻找动物、植物和微生物中与食品加工技术有对应关系的生命活动,开拓从未触及的仿生研究领域,推动食品领域的原始创新。着重强调了“食品工程仿生学”学科建设的重要意义。     

仿生学的创新应用研究

本文深刻分析了现代工业化发展所遇到的新问题,剖析了仿生学在现代社会中的经济作用、仿生学在发明创造过程中发挥的重要作用,着重阐述了仿生学对企业创新投资的指导作用。本文主要阐述了以下几方面的论点:(1)仿生学的应用产生了越来越多的社会价值,如仿生学的环保价值,可循环利用的价值等。(2)通过案例分析了仿生学在社会生产中的典型应用,提出了仿生学的创新应用思维。如研究苍蝇的躲避机理,借鉴其机理并运用到了汽车上,通过摄像头的视觉捕捉,汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统,能够判断这车前的行人车辆和固定障碍物,并通过计算来决定是否要自动刹车来躲避危险,这样的视觉防碰撞系统,在某些情况下可靠性上甚至超过了传统的雷达刹车系统,更好地实现了保护作用。(3)分析了仿生机构及系统的应用研究及仿生学的应用前景。