結(jié)構(gòu)仿生學(xué) 課件 孫霽宇 第4、5章 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)仿生學(xué)典型應(yīng)用案例

結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過(guò)程構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過(guò)程包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：從生物體中獲取靈感，學(xué)習(xí)自然界中的智慧和設(shè)計(jì)原則；分析生物體的結(jié)構(gòu)與功能，找到適合仿生設(shè)計(jì)的特點(diǎn)；利用先進(jìn)的技術(shù)手段，如計(jì)算機(jī)模擬和3D打印等，將生物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為工程結(jié)構(gòu)；不斷測(cè)試和改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保仿生結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)越的性能和效果。通過(guò)這一過(guò)程，結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)生物體的智慧與技術(shù)的結(jié)合，為人類創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性和效率的工程產(chǎn)品和解決方案。1.結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過(guò)程表面減阻功能結(jié)構(gòu)減阻表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)原理仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)范例2.構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)表面功能結(jié)構(gòu)按功能，可分為：表面附著脫附功能結(jié)構(gòu)、表面熱功能結(jié)構(gòu)、表面反應(yīng)功能結(jié)構(gòu)、表面減阻功能結(jié)構(gòu)（包括表面疏水減阻功能結(jié)構(gòu)、表面織構(gòu)減阻功能結(jié)構(gòu)）、表面減阻降噪功能結(jié)構(gòu)、表面生物功能結(jié)構(gòu)、表面超疏水自潔功能結(jié)構(gòu)、表面視頻隱身功能結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)色調(diào)整功能結(jié)構(gòu)、表面仿生耦合功能結(jié)構(gòu)等。表面減阻功能結(jié)構(gòu)減阻表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)原理仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)范例2.構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)該技術(shù)遵循以下三個(gè)理論：①附加流體動(dòng)壓效應(yīng)理論：在富油潤(rùn)滑條件或混合潤(rùn)滑條件下，微坑或微溝槽可以充當(dāng)微小流體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承，從而產(chǎn)生附加流體動(dòng)壓力；②“二次潤(rùn)滑”理論：微坑或微溝槽可以作為微儲(chǔ)油池向摩擦副表面提供潤(rùn)滑油；③容納磨損顆粒理論：干摩擦條件下，微坑或微溝槽可以容納磨粒，從而降低由于磨粒產(chǎn)生的高磨損。表面減阻功能結(jié)構(gòu)減阻表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)原理仿生減阻深松鏟設(shè)計(jì)范例2.構(gòu)件表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)仿生深松鏟設(shè)計(jì)及減阻機(jī)理深松鏟與土壤相互作用過(guò)程離散元仿真分析自修復(fù)涂層制備及性能田間驗(yàn)證試驗(yàn)及機(jī)理分析仿生步進(jìn)執(zhí)行器仿生步進(jìn)執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器設(shè)計(jì)范例3.智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)仿生步進(jìn)執(zhí)行器因其分辨率高、速度帶寬大、尺寸小、力矩大等優(yōu)勢(shì)而在現(xiàn)代醫(yī)療、光學(xué)儀器、航空航天等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的應(yīng)用。仿生步進(jìn)執(zhí)行器仿生步進(jìn)執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器設(shè)計(jì)范例3.智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)壓電材料柔性鉸鏈仿生步進(jìn)執(zhí)行器仿生步進(jìn)執(zhí)行器設(shè)計(jì)原理仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器設(shè)計(jì)范例3.智能構(gòu)件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)尺蠖式仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器海豹式仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器慣性式仿生步進(jìn)壓電執(zhí)行器梯度結(jié)構(gòu)一般性質(zhì)仿生梯度材料設(shè)計(jì)原理仿生梯度材料設(shè)計(jì)范例4.構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)功能梯度的主要特征是創(chuàng)建分布在材料中的特定位置屬性，這些屬性源于成分、微觀結(jié)構(gòu)和幾何形狀等因素的變化。功能梯度材料（FGM）是選用兩種或兩種以上性能不同的均質(zhì)材料，通過(guò)逐步改變這兩種（或多種）材料的成分或/和結(jié)構(gòu)，使得材料性能隨著材料的組成或/和結(jié)構(gòu)的變化而改變，形成具有性能變化特征的功能梯度材料。功能梯度材料的性能由材料的一端到另一端的變化形式既可以為非連續(xù)式，也可以為連續(xù)式，通過(guò)不同的梯度設(shè)計(jì)可以使材料性能呈現(xiàn)出階梯式或漸變式。梯度過(guò)渡的形式主要分為成分梯度、分布梯度、尺寸/結(jié)構(gòu)梯度以及取向梯度，梯度結(jié)構(gòu)一般性質(zhì)仿生梯度材料設(shè)計(jì)原理仿生梯度材料設(shè)計(jì)范例4.構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)在材料設(shè)計(jì)和演變過(guò)程中，梯度從根本上與兩種成分的變化有關(guān)，即化學(xué)成分/成分和結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)一步涉及結(jié)構(gòu)建筑單元的排列、分布、尺寸和方向。此外，界面在維持結(jié)構(gòu)完整性和支持生物材料的特定功能方面起著關(guān)鍵作用。梯度結(jié)構(gòu)一般性質(zhì)仿生梯度材料設(shè)計(jì)原理仿生梯度材料設(shè)計(jì)范例4.構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)仿生變剛度椎間盤設(shè)計(jì)仿生變剛度椎間盤有限元分析仿生變剛度椎間盤樣件制備試驗(yàn)驗(yàn)證及機(jī)理分析點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料拓?fù)鋬?yōu)化方法仿竹吸能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例5.聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料具有出色的物理、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)性能，遠(yuǎn)超普通固體材料。其突出特點(diǎn)包括超輕重量、優(yōu)異能量吸收、高比強(qiáng)度和比剛度，以及優(yōu)良的功能，如散熱、電磁屏蔽、隔聲和隱身等。因此，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在汽車工程、光電子、生物科學(xué)和航空航天等領(lǐng)域備受關(guān)注。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料拓?fù)鋬?yōu)化方法仿竹吸能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例5.聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料拓?fù)鋬?yōu)化方法仿竹吸能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)范例5.聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)壓縮力學(xué)建模方法設(shè)計(jì)原理數(shù)值優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證及機(jī)理分析討論就你接觸或了解的一種仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分析其設(shè)計(jì)考慮因素及設(shè)計(jì)思路。討論參考：參考結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)一般過(guò)程。習(xí)題試述仿生減阻功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素。試述構(gòu)材結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素。試述聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與航空航天工程陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料已用作液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、導(dǎo)彈天線罩、航天飛機(jī)鼻錐、飛機(jī)剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術(shù)新材料的一個(gè)重要分支。陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程仿生陶瓷基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理仿生陶瓷基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展仿生陶瓷基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的高韌性原因仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料未來(lái)發(fā)展方向陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程組織工程材料是指生物醫(yī)用材料（Biomedicalmaterials），其定義隨醫(yī)用材料的發(fā)展不斷發(fā)展，指用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料。人體移植器官和組織的嚴(yán)重短缺以及移植費(fèi)用的昂貴，限制了其在醫(yī)學(xué)臨床上的應(yīng)用，人們運(yùn)用組織工程學(xué)的概念和原理，試圖體外重建人體的器官和組織。組織工程的核心是將具有生命力的人體器官組織細(xì)胞于生物材料所形成的構(gòu)架進(jìn)行培養(yǎng)、分化、增殖，最終形成一個(gè)完整的具有與人體對(duì)應(yīng)器官和組織相同生理功能的實(shí)質(zhì)性替代物。組織工程材料特性組織工程材料加工方法陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程①具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；②具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；③能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；④反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；⑤當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。且智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動(dòng)三個(gè)基本要素。智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。仿生智能材料的基本屬性仿生智能材料的構(gòu)成仿生智能材料的應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料組織工程材料仿生智能材料1.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與材料工程仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程實(shí)體的仿生是從自然界中選取研究對(duì)象，將對(duì)象形態(tài)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可以利用在技術(shù)領(lǐng)域的抽象功能，考慮用不同的物質(zhì)材料和工藝手段創(chuàng)造新的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，具有科技性、時(shí)代性。抽象的討論，是從城市發(fā)展的角度來(lái)認(rèn)識(shí)。在“全球化”的語(yǔ)境下，“地域性”這個(gè)元素對(duì)營(yíng)造城市場(chǎng)所的歸屬感尤為重要，這給建筑的仿生設(shè)計(jì)提出了新的要求。仿生不再僅僅只是為了追求高科技的展現(xiàn)，也應(yīng)該是尊重，并發(fā)展當(dāng)?shù)匚拿}，具有地域性的創(chuàng)造。這種仿生具有適宜性。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程建筑形態(tài)的仿生建筑形態(tài)的仿生是建筑仿生中最常見的仿生方式，人們通過(guò)對(duì)自然界的生物的形態(tài)進(jìn)行模仿，從而創(chuàng)造出體貌多變的建筑形態(tài)。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程建筑結(jié)構(gòu)的仿生結(jié)構(gòu)仿生是從自然界汲取靈感，從而實(shí)現(xiàn)建筑力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料性能等方而的仿生。對(duì)生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究是實(shí)現(xiàn)這些要求的有效途徑。以動(dòng)植物、微生物、人類自身等為原型，通過(guò)考察自然的選擇和優(yōu)化規(guī)律，提取出原型中的結(jié)構(gòu)體系，來(lái)為新建筑結(jié)構(gòu)提供合理的外形;通過(guò)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，將其應(yīng)用于建筑整體的結(jié)構(gòu)力學(xué)之中。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程功能仿生建筑的功能往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，如何有機(jī)組織各種功能成為一種綜合的整體，自然界中的生物為我們提供了成功的范例，它不僅僅是單一功能元素的相互疊加，而是多功能發(fā)展過(guò)程的整合，因此產(chǎn)生了一個(gè)較高發(fā)展階段的新特性。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程材料仿生材料仿生是指模仿生物體組成材料的物理特性和化學(xué)成分，研究出新型的建筑材料，來(lái)滿足人們對(duì)建筑材料性能和品種口益增長(zhǎng)的需要。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程幾何特征仿生建筑的設(shè)計(jì)手法打破了以往建立在靜態(tài)三維幾何學(xué)上的沉悶的空間形態(tài)，現(xiàn)代數(shù)學(xué)在分形學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)方而的探索對(duì)這一趨勢(shì)起到了推波助瀾的作用。仿生建筑的概念仿生建筑的分類仿生建筑的空間特征經(jīng)典仿生建筑案例2.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與建筑工程仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)仿生機(jī)械是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計(jì)制造出功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。仿生機(jī)械學(xué)研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生物體材料力學(xué)、生物體機(jī)械力學(xué)和生物體流體力學(xué)；控制體是根據(jù)從生物了解到的知識(shí)建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)，如機(jī)電假手等；機(jī)器人則是用計(jì)算機(jī)控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，又把醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。它包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用化。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)仿生機(jī)器人是仿生機(jī)械學(xué)中的一個(gè)最為典型的應(yīng)用實(shí)例，其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展水平。日本和美國(guó)在仿生機(jī)器人的研究領(lǐng)域起步早，發(fā)展快，取得了較好的成果。我國(guó)對(duì)仿生機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)十多年的研究，在仿生機(jī)器人方面也取得了很多成果，研制出了相關(guān)的機(jī)器人樣機(jī)，而且有些仿生機(jī)器人在某些方面達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用工程技術(shù)來(lái)幫助殘疾人代償已失去的功能，大致可劃分為兩個(gè)范疇：一個(gè)是屬于系統(tǒng)工程的范疇，它是通過(guò)改變或重新建立新的生活環(huán)境條件，使有功能障礙的患者得到適應(yīng)和方便；另一個(gè)就是屬于康復(fù)工程的范疇，它是通過(guò)綜合應(yīng)用精密機(jī)械、現(xiàn)代控制和信息處理等技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)高性能的器械，并確立機(jī)器和人之間的信息傳遞手段，起到代償功能的作用。特別是由于高級(jí)自動(dòng)化課題中機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，開拓了機(jī)器人在康復(fù)工程領(lǐng)域中應(yīng)用的廣闊前景，將給殘疾人帶來(lái)更多的福音。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)功能障礙代償?shù)哪康牟煌?，可把代償器械分為兩大類：一類是直接安裝于人體上進(jìn)行代償失去功能的器械，如各種假肢、輔助裝具等；另一類是裝設(shè)于人體外、且構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)的、起間接代償功能的器械，如各種環(huán)境控制裝置、醫(yī)療機(jī)械手、機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)械等。但是，不論是哪一種代償器械，都要使殘疾人自身能夠進(jìn)行操作，所以器械的動(dòng)作指令必須利用殘疾人殘存的機(jī)能。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)目前，可實(shí)際有效地利用的殘存機(jī)能大致有下列三種：(1)人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)位移。如利用身體某一部分運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)作位移和部分肌肉收縮所產(chǎn)生的膨起位移等，這是一種基本的方法。(2)人體的肌肉表面動(dòng)作電位。肌肉電位是人體的一種生物電，利用這種生物電作為控制信號(hào)源已有較大的發(fā)展。(3)呼氣壓力、聲音信號(hào)等。雖然采用聲音作為輸入信號(hào)尚處于開發(fā)階段，但它已成為一種新的發(fā)展方向，是研究醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要課題。仿生機(jī)械學(xué)定義仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程仿生機(jī)械實(shí)例3.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)材料空間結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仿生空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例4.結(jié)構(gòu)仿生學(xué)與航空航天工程常用金屬材料特點(diǎn)鋁合金鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。鎂合金密度小，相對(duì)比強(qiáng)度、比剛度高，具有很好的減重作用。鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，質(zhì)量穩(wěn)定，價(jià)格低廉。鈦合金密度低，比強(qiáng)度高，耐腐蝕