生物表界面表界面省公共課一等獎(jiǎng)全國(guó)賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1

第八章生物表界面※生物世界為了適應(yīng)復(fù)雜自然環(huán)境，表面形成了一套復(fù)雜、多樣、完善系統(tǒng).

1）生物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)既能夠使摩擦最小化，而在另一個(gè)極端又能夠使摩擦最大化；2）對(duì)外界信息含有高靈敏感知性能3）對(duì)能量利用含有高效性啄木鳥(niǎo)腦殼有最緊密組織抗震骨骼；

蜘蛛絲有五倍鋼鐵硬度與延展性；

蜂鳥(niǎo)飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司能量；

蝙蝠回音定位使用促進(jìn)了雷達(dá)開(kāi)發(fā)改進(jìn)；蓮花效應(yīng)有絕佳抗污性和疏水性第1頁(yè)21)生物表面與光學(xué)特征

A偽裝（擬態(tài)）B警戒色

C對(duì)光調(diào)控2）生物表面與粘附特征

A自清潔效應(yīng)B超級(jí)潤(rùn)濕性能C摩擦減阻

3）微結(jié)構(gòu)控制傳感與傳動(dòng)4）生物軟體材料(softmaterials)超級(jí)功效生物表面與界面感興趣相關(guān)內(nèi)容：第2頁(yè)31)生物表面與光學(xué)特征A偽裝（擬態(tài)）；B警戒色；C對(duì)光調(diào)控A偽裝CamouflageB毒蛙警戒色Aposematiccolor

圖1第3頁(yè)4圖2科學(xué)家發(fā)覺(jué)蝴蝶翅膀是天然發(fā)光二極管圖3非洲燕尾蝶翅膀上鱗狀物光學(xué)顯微圖象

C對(duì)光調(diào)控第4頁(yè)Figure1.Morphologyandstructureoftheoriginalbutterflywingscales(PeleidesMorpho).(a)Aphotoofthebutterfly.(b)AlowmagnificationSEMimageofasinglebutterflywingscaleonsiliconsubstrateshowingthestripestructure.(c)Anopticalmicroscopeimageofthebutterflywingscalesfromthebluearea.(d)Thechematicofa“unitcell”onthelamellaethatresponsibleforthescatteredcolorfullight.(e)ASEMimagetakenonthescalesurfaceshowingthestructureofthelamella薄片.TheinsetisahigherresolutionSEMimageshowingtheperiodicnanostructuresonalamella.第5頁(yè)6毛麗金龜數(shù)碼照片及其鞘翅表面微結(jié)構(gòu)圖(A)數(shù)碼照片；（B）、（C）和(D)不一樣放大倍數(shù)SEM麗金龜鞘翅紫外-可見(jiàn)光-紅外反射圖譜第6頁(yè)7圖5荷葉

一陣風(fēng)來(lái)碧浪翻，真珠零落難收拾珠明浮盤(pán)戲，酒漾流杯曄——雨中荷花宋·杜衍——玉井亭觀荷宋·楊萬(wàn)里第7頁(yè)圖4美洲蜥蜴（cabrite）在水上奔跑人水上奔跑第8頁(yè)9Spidersenses3.生物表面與傳感、傳動(dòng)等功效特征.圖一第9頁(yè)10Fig.Airflowstimuliandpreycapturebehavior.Left:Sequenceofvideoframesshowingthespider’sreactiontotheairflowproducedbyaflyflyingonaleash(modifiedfromBrittinger1998).Middle:Spectraoftheairflowsignalbehindatetheredflyingflyatincreasingdistancefromthefly(modifiedfromBarthandH?ller,1999).Aboveright:CharacteristicspectrumofairflowmeasuredabovethespidersittingonitsdwellingplantaftersundownArthropodmechanosensoryhairsensilla感覺(jué)器第10頁(yè)11實(shí)拍變色龍用長(zhǎng)舌捕捉蟋蟀5月17日，在澳大利亞墨爾本博物館，一只變色龍正用舌頭捕捉蟋蟀。變色龍為一個(gè)“善變”樹(shù)棲爬行動(dòng)物，它能夠伴隨周?chē)h(huán)境改變改變自己身體顏色以隱藏自己，是自然界中偽裝高手。變色龍用長(zhǎng)舌捕食時(shí)動(dòng)作極快，每次只需1/25秒第11頁(yè)128.1生物表面摩擦和粘附系統(tǒng)

8.2昆蟲(chóng)摩擦裝置8.3抗粘附機(jī)制本章主要內(nèi)容第12頁(yè)13生物表面與基質(zhì)相互作用過(guò)程中，為了適應(yīng)運(yùn)動(dòng)而形成一套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其中包含由纖維素、多聚糖、蛋白質(zhì)、脂肪酸、磷脂等組成鉤、鎖或卡、夾、墊、吸盤(pán)等粘附結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表面含有微納米有序微結(jié)構(gòu)組成，其經(jīng)過(guò)負(fù)壓吸入、機(jī)械互鎖、毛細(xì)作用、分子粘附以及靜電作用，使其與表面作用到達(dá)最大或者最小。生物表面粘附系統(tǒng)（掌握）

第13頁(yè)14增加摩擦系統(tǒng)(1)植物表面復(fù)制機(jī)制

圖8-10藤蔓植物爬墻虎“吸管”

a)連接在表面粘附裝置b)“吸管”8.1生物表面摩擦和粘附系統(tǒng)

第14頁(yè)15(2)蜥蜴墊移動(dòng)粘附

蜥蜴(GeLko壁虎)腳上剛毛，內(nèi)生表皮層上新剛毛形成三個(gè)階段示意圖a)最初階段b)中間階段c)最終階段次末端區(qū)CLO-外表皮產(chǎn)生透明層OBI-內(nèi)表皮產(chǎn)生表皮層TB-主要?jiǎng)偯K端亞區(qū)分微剛毛是角質(zhì)化表皮衍生物，它們長(zhǎng)大約90微米，寬約為lO微米第15頁(yè)壁虎膠帶

(GeckoTape)圖一第16頁(yè)178.2昆蟲(chóng)摩擦裝置鱗翅目昆蟲(chóng)足末節(jié)、頭部制動(dòng)系統(tǒng)、鱗翅類(lèi)蒼蠅口器腱膜，以及蝴蝶和雙翼目蛾甲膜，往往都有摩擦裝置昆蟲(chóng)是表面動(dòng)物

表皮微觀結(jié)構(gòu)作用空氣動(dòng)力學(xué)表面作用b)清洗身體作用c)發(fā)聲作用d)磨碎食物e)過(guò)濾裝置f)流體動(dòng)力學(xué)表面作用g)空氣調(diào)整h)控溫i)體色第17頁(yè)181昆蟲(chóng)附著裝置原理

附著原理八種基本類(lèi)型a)鉤b)鎖或卡c)夾d)墊e)吸盤(pán)f)膨脹錨g)粘性分泌物h)摩擦第18頁(yè)192.蜻蜓頭部制動(dòng)系統(tǒng)蜻蜓頭制動(dòng)系統(tǒng)a)頭-頸關(guān)節(jié)示意圖b)后頸部甲片側(cè)視圖c)頭部右側(cè)微刺區(qū)d)后頸甲片上背部微刺e)后頸甲片上腹部微刺f)頭后部、頭側(cè)及腦區(qū)域微刺a-前方向d-后背方向head-頭jt-關(guān)節(jié)l-側(cè)向mfh-頭后表面微刺區(qū)域ta-支撐三角第19頁(yè)20

甲蟲(chóng)翼鎖裝置a)、b)擬步甲科昆蟲(chóng)后、側(cè)胸廓區(qū)微刺c)、d)赤擬合盜后、側(cè)胸廓區(qū)微刺第20頁(yè)21生物表面抗粘附機(jī)制（掌握）1）大多數(shù)植物和有些動(dòng)物被疏水性表皮覆蓋疏水性表皮由聚酯基質(zhì)中類(lèi)脂組成2）表皮表面經(jīng)常被細(xì)胞生長(zhǎng)物(毛狀體)、折痕所刻蝕或被蠟晶體覆蓋。疏水植物表面粗糙度會(huì)降低潤(rùn)濕性，與相同組成光滑表面相比，水滴接觸角更大

3）污染植物表面顆粒比那些疏水蠟更易濕潤(rùn)。污垢通常都停滯在表面結(jié)構(gòu)末端，以至于顆粒和植物表面間真正接觸面積很小。這些顆粒輕易被表面滾下來(lái)水滴除掉。因?yàn)轭w粒和植物表面間真實(shí)接觸面積較小，顆粒和水滴間粘附將大于顆粒和植物表面間粘附。4）在光滑植物表面，污染顆粒和表面間真實(shí)接觸面積是足夠大，以至于顆粒不會(huì)粘附到滾下水滴上第21頁(yè)22a)—c)疏水刻蝕植物表面自?xún)粜?yīng)，在粗糙表面上，顆粒粘附在水滴上，然后被水滴從表面除掉d)-f)在光滑表面上，污染顆粒因滾下來(lái)小水滴重新分布第22頁(yè)圖8水黽腿掃描電鏡SEM照片，(b)無(wú)數(shù)細(xì)長(zhǎng)微剛毛，20

m，(c)單根剛毛上精細(xì)螺旋狀納米凹槽結(jié)構(gòu)，200

nm圖7水黽能在水面上支撐15倍于身體重量

第23頁(yè)24圖5荷葉

一陣風(fēng)來(lái)碧浪翻，真珠零落難收拾珠明浮盤(pán)戲，酒漾流杯曄——雨中荷花宋·杜衍——玉井亭觀荷宋·楊萬(wàn)里第24頁(yè)25

圖7荷葉表面結(jié)構(gòu)：由微米級(jí)乳突組成，乳突結(jié)構(gòu)又由納米級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)組成（見(jiàn)右圖）該表面為超疏水特征第25頁(yè)26Figure.SEMimagesof(a)rapepollengrains,(b)thePTFE-encapsulatedpollengrainscombinedonthePTFE-basedcoating,(c)thedetailedstructureofaPTFE-encapsulatedpollengrain.(e)Photographofawaterdropletonthesuperhydrophobicsurface.第26頁(yè)27第27頁(yè)28中國(guó)國(guó)家大劇院國(guó)家大劇院建筑“皮膚”采取玻璃和鈦金屬板飾面，在殼體外設(shè)置有噴淋系統(tǒng)。殼體外玻璃是防彈，外層還涂有一層納米材料，當(dāng)雨水落到玻璃面上時(shí)就像水滴落在荷葉上一樣，不會(huì)留下水漬。同時(shí)，納米技術(shù)還大大降低了灰塵附著力。仿生物表面抗粘附特征應(yīng)用介紹（了解）第28頁(yè)29英國(guó)《簡(jiǎn)氏防務(wù)周刊》等國(guó)外權(quán)威軍事雜志披露，中國(guó)當(dāng)前“漢”級(jí)改進(jìn)型核潛艇和最新型093、094級(jí)核潛艇，因?yàn)椴扇∫粋€(gè)“艇用外殼表面仿鯊魚(yú)皮技術(shù)”，即采取仿生學(xué)原理制造、類(lèi)似鯊魚(yú)皮結(jié)構(gòu)消聲瓦，潛艇噪音能控制在110分貝左右。第29頁(yè)30Fig.13SurfacestructureofSharkFig.14Simulatedshark’ssurfacewasappliedonairplane.第30頁(yè)31棕子棕葉表面條紋結(jié)構(gòu)第31頁(yè)32BioInfoCognoNano圖1.1會(huì)聚科技(ConvergingScience&Technologies）交叉融合示意圖納米科學(xué)和納米技術(shù)生物領(lǐng)域，包含生物技術(shù)、生物醫(yī)藥及遺傳工程信息領(lǐng)域，包含信息技術(shù)及先進(jìn)計(jì)算和通訊認(rèn)知領(lǐng)域，包含認(rèn)知科學(xué)與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)設(shè)計(jì)、指揮和協(xié)調(diào)

認(rèn)知科學(xué)家能夠想得到納米科學(xué)家能夠做得到生物科學(xué)家/人能夠用得到信息科學(xué)家能夠監(jiān)視和控制它1.會(huì)聚科技介紹第32頁(yè)33NBIC會(huì)聚技術(shù)將帶來(lái)什么？

.人與人之間產(chǎn)生包含腦與腦交流在內(nèi)高效通訊伎倆，社會(huì)群體有效地改進(jìn)合作效能,提升人類(lèi)本身能力；·機(jī)器人變得具有些人類(lèi)意識(shí)和性格而將對(duì)人類(lèi)愈加有用；·人腦和機(jī)器間快速、寬帶界面將轉(zhuǎn)變工廠工作，控制汽車(chē)，確保軍事優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)新體育運(yùn)動(dòng)、新藝術(shù)形式和新人際交流方式。1.會(huì)聚科技介紹第33頁(yè)34腦與腦交流學(xué)習(xí)變得輕易;深?yuàn)W理論了解不再困難;學(xué)習(xí)效率顯著提升E=MC2第34頁(yè)3535日本美女機(jī)器人在以色列上崗,在日本東京高島屋一款法國(guó)香水專(zhuān)柜，一個(gè)機(jī)器人售貨員(右)為用戶介紹商品。這個(gè)身高165厘米機(jī)器人被日本香水進(jìn)口商“聘請(qǐng)”在圣誕購(gòu)物季擔(dān)任推銷(xiāo)工作。第35頁(yè)36美國(guó)科學(xué)家正在研制間諜飛蟲(chóng)美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與加利福尼亞州立大學(xué)伯克利分校合作研制了一個(gè)"昆蟲(chóng)機(jī)"（entomop