結(jié)構(gòu)仿生學(xué) 課件 孫霽宇 第1-3章 生物結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)仿生學(xué)- 結(jié)構(gòu)仿生學(xué)力學(xué)理論基礎(chǔ)

生物結(jié)構(gòu)生物結(jié)構(gòu)特征規(guī)律生物結(jié)構(gòu)建模結(jié)構(gòu)仿生分類結(jié)構(gòu)仿生基本規(guī)則結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)仿生學(xué)（StructuralBionics）是以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的形態(tài)以獲得靈感，進(jìn)而對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬，提高工程結(jié)構(gòu)效率的一門學(xué)科。1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)生物結(jié)構(gòu)是指生物體或其組成部分，如組織、器官等的構(gòu)成模式，是生物行為、功能所以有效發(fā)揮的保證，是生物體的骨架、支撐、橋梁和紐帶。1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)（1）構(gòu)件：可以是點(diǎn)、線、面、體、群。同類：形狀、材質(zhì)、尺度相同；有單類、多類；同形：僅形狀相同，有單形、多形；同質(zhì)：僅材質(zhì)相同，有單材、多材；同尺度：僅尺度相同，有單尺度、多尺度。（2）構(gòu)材：結(jié)構(gòu)中構(gòu)體組成空間內(nèi)的材料（連接材料）。（3）聯(lián)結(jié)：構(gòu)件與構(gòu)件、構(gòu)件與構(gòu)材、構(gòu)材與基體之間的聯(lián)結(jié)（不是都有，如單質(zhì)材料就沒(méi)有）。1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)（1）按幾何維度分0維、一維、二維、三維、多維結(jié)構(gòu)（2）按生物結(jié)構(gòu)特征分構(gòu)件、構(gòu)材、聯(lián)結(jié)（3）按生物結(jié)構(gòu)尺度分宏觀、微觀、超微、分子結(jié)構(gòu)（4）按學(xué)科分幾何、數(shù)學(xué)、物理、生物學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)（5）按工程性能分剛性、彈性、柔性、硬質(zhì)、功能結(jié)構(gòu)1.1生物結(jié)構(gòu)概念1.2生物結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.3生物結(jié)構(gòu)分類1.4生物結(jié)構(gòu)研究意義1.生物結(jié)構(gòu)（1）生物學(xué)意義：結(jié)構(gòu)的原理、機(jī)制、功能促進(jìn)生物學(xué)研究深化、發(fā)展，因?yàn)槿我簧矬w或其任一組織、器官都有其自身的結(jié)構(gòu)。（2）工程學(xué)意義：生物結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的生物進(jìn)化形成的結(jié)果。選擇合適的在工程學(xué)領(lǐng)域進(jìn)化仿生，不僅能夠促進(jìn)該學(xué)科的發(fā)展，還能夠產(chǎn)生新的構(gòu)思、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。同時(shí)，這也推動(dòng)了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)這一新興學(xué)科的發(fā)展。（3）藝術(shù)意義：對(duì)建筑藝術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)藝術(shù)，也是促進(jìn)和提升。（1）多樣性：結(jié)構(gòu)因素多、組合多；（2）普遍性：有生物即有生物結(jié)構(gòu)；（3）復(fù)雜性：多層、多級(jí)、復(fù)合、嵌合、耦合、交疊、變化（運(yùn)動(dòng)）；（4）功能性：結(jié)構(gòu)孕育功能，功能寓于結(jié)構(gòu)。有單一功能的結(jié)構(gòu)，也有多功能集一身的結(jié)構(gòu)。2.生物結(jié)構(gòu)特征規(guī)律（1）幾何模型：歐氏幾何，如蜂巢（正六邊形），非歐氏幾何等；（2）數(shù)學(xué)模型：仿真模型、試驗(yàn)優(yōu)化模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；（3）物理模型：力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型等；（4）化學(xué)模型：分子結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)等；（5）生物模型：器官、組織、細(xì)胞等。3.生物結(jié)構(gòu)建模（1）幾何結(jié)構(gòu)仿生：規(guī)則幾何、非規(guī)則幾何（如拓?fù)?、分形幾何等）、?fù)合幾何結(jié)構(gòu)；（2）數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)仿生：仿真模型、試驗(yàn)優(yōu)化模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；（3）物理結(jié)構(gòu)仿生：機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生等；（4）化學(xué)結(jié)構(gòu)仿生：分子仿生學(xué)等；（5）建筑結(jié)構(gòu)仿生：包括建筑藝術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)仿生等；（5）耦合結(jié)構(gòu)仿生：用上述（1）~（4）方法之一或以上進(jìn)行耦合仿生。4.結(jié)構(gòu)仿生分類（1）滿足工程技術(shù)領(lǐng)域關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則；（2）充分利用生物學(xué)準(zhǔn)則：（3）結(jié)構(gòu)仿生也盡力做到理論仿生，由生物結(jié)構(gòu)原理獲得功能仿生原理；（4）遵循仿生學(xué)基本原理和規(guī)律；（5）優(yōu)化仿生結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)集、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)集、技術(shù)參數(shù)集和功能性指標(biāo)集時(shí)，應(yīng)在保證仿生結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，著重考慮總功能指標(biāo)集的保證。5.結(jié)構(gòu)仿生基本規(guī)則結(jié)構(gòu)仿生學(xué)研究的對(duì)象是生物結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、構(gòu)材及聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)展，已在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的出現(xiàn)為我們提供了一種新的研究思路，有助于設(shè)計(jì)出更多性能優(yōu)異的產(chǎn)品或者結(jié)構(gòu)。開展結(jié)構(gòu)仿生研究，需要多個(gè)學(xué)科和工程專業(yè)知識(shí)合作研究。未來(lái)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以真正成為仿生智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。6.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀1.討論討論自然界中存在的結(jié)構(gòu)及可能的仿生應(yīng)用。

討論參考點(diǎn)：結(jié)合生活中應(yīng)用及存在的問(wèn)題，在自然界中尋求可能的仿生解決方案。討論結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展方向。討論參考點(diǎn)：結(jié)合結(jié)構(gòu)仿生學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀，從構(gòu)件、構(gòu)材和聯(lián)結(jié)三方面討論未來(lái)可能發(fā)展方向。2.習(xí)題試述生物結(jié)構(gòu)概念及構(gòu)成。試述結(jié)構(gòu)仿生學(xué)概念及基本規(guī)則。生物材料特性生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料結(jié)構(gòu)仿生仿貝殼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例自組裝分級(jí)結(jié)構(gòu)自修復(fù)水合作用多功能合成條件環(huán)境適應(yīng)性1.生物材料特性自組裝分級(jí)結(jié)構(gòu)多功能自修復(fù)進(jìn)化和環(huán)境適應(yīng)性水合作用溫和的合成條件生物材料生物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)元素纖維螺旋重疊縫合梯度細(xì)胞管狀層狀生物材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生方式2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料幾乎都是復(fù)合材料，不同物質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)、不同增強(qiáng)體形態(tài)和尺度的復(fù)合使得生物材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單一常規(guī)材料的綜合性能。2.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料表面結(jié)構(gòu)仿生包括表面幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、表面能、電荷、極性、親水性、疏水性、鍵合種類仿生等，屬于生物構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生。2.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生包括材料內(nèi)部微/納結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)、光特性、電磁特性仿生等，屬于生物構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生。2.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物材料空間結(jié)構(gòu)形式包括拱結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)仿生等，屬于生物構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)仿生。2.2構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式有機(jī)物形成過(guò)程及仿生無(wú)機(jī)物形成過(guò)程及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式（1）臨近效應(yīng)——酶可以把兩個(gè)底物結(jié)合在活性部位上使之彼此靠近，并具有一定取向；（2）多元催化——即個(gè)基元催化反應(yīng)結(jié)合在一起共同進(jìn)行；（3）微環(huán)境效應(yīng)——酶的活性中心相當(dāng)于微環(huán)境；（4）誘導(dǎo)契合效應(yīng)——酶與底物結(jié)合時(shí)可以改變底物的構(gòu)象，部分地包圍底物，使催化基團(tuán)處于最有利的位置；（5）底物變形效應(yīng)——酶與底物結(jié)合后，一部分結(jié)合能用來(lái)削弱底物的某些鍵，使底物較接近它的過(guò)渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能。2.2構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式有機(jī)物形成過(guò)程及仿生無(wú)機(jī)物形成過(guò)程及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物礦化一般可分為四個(gè)階段：（1）有機(jī)大分子預(yù)組織；（2）界面分子識(shí)別；（3）生長(zhǎng)調(diào)制，無(wú)機(jī)相通過(guò)晶體生長(zhǎng)進(jìn)行組裝得到亞單元，同時(shí)形態(tài)、大小、取向和結(jié)構(gòu)受到有機(jī)分子組裝體的控制；（4）細(xì)胞加工，在細(xì)胞參與下亞單元組裝成高級(jí)的結(jié)構(gòu)，這個(gè)階段是造成生物礦化材料與人工材料差別的主要原因。2.3構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與基體聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物結(jié)構(gòu)構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)方式包括點(diǎn)陣、桁架、網(wǎng)絡(luò)、層疊、交疊、發(fā)散等。2.3構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與基體聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式生物結(jié)構(gòu)構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)方式包括嵌合、復(fù)合、耦合、梯度、多孔、中空等。2.3構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生方式構(gòu)件與構(gòu)件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與構(gòu)材聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生構(gòu)件與基體聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)及仿生2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式2.4仿貝殼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例確立產(chǎn)品/目的需求和選取生物對(duì)象提取仿生對(duì)象特征和簡(jiǎn)化仿生對(duì)象特征制備結(jié)構(gòu)仿生材料2.生物材料結(jié)構(gòu)仿生方式1.討論生物材料具有的功能特性哪些是與其結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的。討論參考點(diǎn)：生物結(jié)構(gòu)是生物行為、功能所以有效發(fā)揮的保證，是生物體的骨架、支撐、橋梁和紐帶。生物材料具備的力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等特性是由其結(jié)構(gòu)特性調(diào)控的么？討論參考點(diǎn)：生物結(jié)構(gòu)包括構(gòu)件、構(gòu)材和聯(lián)結(jié)。2.習(xí)題試述生物材料結(jié)構(gòu)特性。生物材料的結(jié)構(gòu)仿生方式包括什么？壁虎爪趾的結(jié)構(gòu)特征是什么？其與力學(xué)性能的關(guān)系？鯊魚鱗片微觀結(jié)構(gòu)特征與其力學(xué)性能關(guān)系？試述甲蟲鞘翅結(jié)構(gòu)色的主要構(gòu)色機(jī)制及其對(duì)仿生變色材料的啟發(fā)作用。試述骨中主要有機(jī)相及其結(jié)構(gòu)特征。試述珍珠層的增韌機(jī)理及其對(duì)于陶瓷材料增韌的啟發(fā)作用。影響竹的力學(xué)性能的主要因素是什么？結(jié)構(gòu)靜力學(xué)彈性力學(xué)多孔彈性理論流體力學(xué)流變力學(xué)耦合應(yīng)力理論美國(guó)華盛頓州塔科馬海峽大橋坍塌事件平面體系的幾何構(gòu)造分析靜定結(jié)構(gòu)受力分析虛功原理與結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算力法位移法力矩分配法1.結(jié)構(gòu)靜力學(xué)在彈性力學(xué)中，應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系是對(duì)遵守胡克定律的完全彈性體而言的。在小變形的情況下，應(yīng)力在彈性限度范圍內(nèi)，大多數(shù)的實(shí)際材料都可以視為彈性體。當(dāng)一個(gè)物體所受載荷不超過(guò)其比例極限時(shí)，荷載與變形成線性關(guān)系，即物體服從胡克定律。如果將外部載荷去除后，物體的變形可以完全恢復(fù)，即沒(méi)有殘余變形，則該物體稱為線性彈性體，簡(jiǎn)稱線彈性體。2.彈性力學(xué)構(gòu)成生命體的功能活性材料（組織、細(xì)胞、細(xì)胞核等）是由間質(zhì)流體等液體與蛋白纖維網(wǎng)絡(luò)等固體骨架組成的生物含液多孔材料。最新研究表明，細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核可視為多孔彈性材料。固體變形應(yīng)變場(chǎng)與流體滲流場(chǎng)相互作用、相互影響，其流-固耦合力學(xué)行為可通過(guò)畢奧（Biot）多孔彈性理論來(lái)描述。3.多孔彈性理論流體力學(xué)是研究在力的作用下，流體自身的靜止和流動(dòng)狀態(tài)以及流體與固體界面之間的相互作用和流動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。生物體內(nèi)包含著大量的液體，在生物力學(xué)研究中，流體力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法經(jīng)常被用來(lái)研究相關(guān)問(wèn)題。流體力學(xué)的主要理論基礎(chǔ)包括三大基本方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。4.流體力學(xué)既有固體的變形特性又有流體的流動(dòng)特性的物體稱為流變體。如果把胡克彈性固體和牛頓黏性流體作為流變體中的兩個(gè)極端，世界上所有的物質(zhì)都屬于流變體。流變體力學(xué)研究物質(zhì)變形與運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，簡(jiǎn)稱流變力學(xué)。由于對(duì)胡克固體和牛頓流體研究得比較全面和深入，習(xí)慣上還是將不符合胡克定律的固體和不符合牛頓黏性定律的流體歸于流變體，分別稱為流變固體和流變流體。按研究目的和方法不同，流變力學(xué)分為宏觀和微觀兩類。前者注重流變體的宏觀性質(zhì)，基本目的是建立本構(gòu)方程；后者注重材料的微觀結(jié)構(gòu)，揭示宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究生物材料的流變特性