仿生材料學的案例
：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
進一步，在維持材料表層水化狀態不變的條件下，對材料進行加熱，發現承載層凝膠快速發生相分離進而瞬間變硬（模量：~120 MPa），大幅度抑制了滑動剪切過程中材料的變形，此時摩擦對偶與材料表面接觸點減小，摩擦系數顯著降低（μ~0.027）。
圖1. 軟質凝膠態（左）和硬質玻璃態（右）下界面接觸力學行為
通過對滑動界面原位加熱和冷卻，可以實現摩擦系數的動態可逆調控，且這種可切換的潤滑行為在寬載荷范圍內始終是有效的；特別是，研究人員發現隨著法向載荷的增大，這種典型的潤滑調控行為更加的明顯，界面最大接觸應力甚至可達~7 MPa。理論模擬結果表明這種顯著的潤滑轉變行為主要歸因于以模量動態演變為主的自適應接觸機制，可通過結合接觸態演化、非變形耗散和分子鏈機械俘獲3大機制得到很好解釋。作為這種智能材料的概念驗證，研究人員開發了智能型水凝膠子 彈進行固體穿刺測試，沖擊試驗結果表明相變硬化的水凝膠子 彈（同軟態凝膠子 彈對比）其穿透力更強，這得益于低摩擦狀態下界面較小的運動阻力。最終，研究人員通過結合界面濕黏附化學發展了一種智能潤滑貼片，并通過程序化機械手臂精確測量了這種智能貼片表面摩擦狀態的轉變信號；成功將該貼片組裝于運動模型裝備（如坦克履帶、潛水艇）表面，實現了基于界面潤滑轉變行為的運動行為智能控制。
圖2. MALH智能潤滑材料的仿生學設計過程
圖3. MALH智能潤滑材料的制備過程和界面潤滑調控機制
圖4.
展開 生物力學與仿生材料新進展！
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實驗室生物力學與仿生材料研究組劉增乾博士帶領研究團隊在金屬所“引進優秀學者”項目資助下，根據“認識自然–理解自然–學習自然”的思路，從材料科學角度揭示自然界中典型生物材料的組織結構及賦予其優異性能的關鍵機理，提煉天然與人造材料共性的優化設計原則，進而將其應用于人造材料體系，通過仿生設計實現人造材料的性能優化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。
該研究組在系統闡明天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，闡明了梯度結構取向與再取向對力學性能的優化機理，提煉了改善材料綜合力學性能的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
同時，該研究組首次發現，材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。
展開 仿生機器魚艏向擺動動力學仿真及分析
該文首次運用Adamas軟件對北京航空航天
大學機器人研究所“SPC - II”仿生機器魚進行了尾鰭受力分析和動力學仿真。從魚體和尾鰭推進機構質量比、拍動頻率以
及對尾鰭攻角的影響三個方面對仿真結果進行了分析,得出以下結論:隨著魚體和尾鰭推進機構質量比的增大以及頻率的
增大,艏搖不斷減小;魚體和尾鰭推進機構質量比小于78,沒有出現共振現象;艏搖的存在會明顯的衰減尾柄主臂和尾鰭攻
角的角位移。
仿生機器魚艏向擺動動力學仿真及分析.pdf
研究人員利用仿生學和3D打印開發機器魚
來自土耳其菲拉特大學的一組工程研究人員正在使用仿生設計為不同的海洋應用提供靈活的解決方案，如觀察生物、檢查水下資源、發現和防治污染、海岸線安全、測量淹沒區域和管道故障檢測等。
3D打印機器魚詳細機械配置
據悉，研究人員受鯉魚啟發，最近發表了一篇關于他們使用3D打印、機器人和仿生學開發自主水下航行器（AUV）的“智能仿生機器魚設計與制造”的論文。
在設計3D打印仿生機器魚時，需著重考慮的是其身體結構和游泳模式，因此研究人員花了很多時間進行觀察和研究。據研究表明，超過85％的魚是通過彎曲身體或尾鰭（也稱為BCF）進行游泳，而其余魚則用奇鰭或胸鰭（MPF）進行游泳。
一段時間內鯽魚向前和轉泳模式說明圖
“機器魚設計有兩種方法。首先是仿生設計，它具有一定的要求，例如尾部的大小和關節數量，以提供身體行波，以及能夠控制重心保持在一定深度。”研究人員寫道。“第二種設計方法僅使用魚類的運動效果。”
機器魚原型的自主游泳性能
據了解，菲拉特大學的機器魚原型復制了BCF型游泳模式及其推進式伺服電機驅動尾部機制，它還具有前部、剛性、魚雷形狀的主體，用于容納所有傳感器和電子設備，當然，還有重心（CoG）控制機構，用于上下移動。
因為機器魚在游泳時需要能夠感知環境中的靜態和動態物體，所以研究人員在它們身上添加了三個夏普紅外距離傳感器，重量約為3.1千克，長約500毫米，寬76毫米，高215毫米。
前瞄準器和瞄準角設計
這項研究提出了基于生物游泳啟發的智能機器魚原型（i-RoF）的仿生設計和制造，以執行現實世界的探索和測量任務。為了測試安裝部件的密封性能，研究人員在測試池中運行了6小時。
未來，研究人員將圍繞使用不同的控制結構檢查3D打印機器魚原型的閉環控制性能，以及測試其在不同水道中的游泳能力。
展開 
美國西北大學多材料3D打印仿生螺旋結構
美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，研究發現甲蟲會因為不同生命階段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。
生物中有很多優異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結構的設計提供嶄新的設計思路。類似這樣的螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發展，仿生方面的研究將進入全新的領域。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 仿生材料的微組織結構對力學性能的影響
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結構的再取向
中科院某科研團隊系統地闡明了天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升
同時該課題組發現：材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關系。
(a) 復合結構在受到壓力之后逐漸偏離正應力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
展開 用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化
劉毅 金峰
清華大學水利水電工程系
摘要:為了改善疊層復合材料方板孔周應力分布,采用一種無梯度仿生技術——固定網格漸進優化方法，建立了等限制Tsai-Hill準則——即使孔周的限制Tsail-Hill值更加均勻，來求解切孔形狀優化問題。用各向同性材料方板在二軸拉力荷載下單孔形狀優化的例子驗證了方法的正確性。研究了按照[+/-45度/0度/90度]對稱擱置的碳纖維/環氧樹脂材料準各向同性疊層復合材料方板受單位和拉減荷載的例子。優化后的控形在Tsail-Hill強度值的均勻度上比正方形開孔有了顯著的改善，計算結果比傳統的漸進優化方法更精確和更光滑。
關鍵詞：疊層復合材料，固定網格，漸進優化方法，形狀優化
內容簡介：
1 基于等限制Tsail-Hill值準則的FG ESO方法
2 本文方法驗證
3 準各向同性層合方板開孔形狀優化
3.1 工況 1
3.2 工況 2
4 總結
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化.pdf
展開 受“墨魚”仿生結構啟發制備具有優異熱管理性電磁屏蔽的復合材料
此外，EMI屏蔽功能材料吸收電磁波并將其轉化為熱量，這也會影響電子設備的工作溫度。因此，迫切需要實現具有優異熱管理和電磁干擾屏蔽效果的雙功能材料。
數十億年來，生物進化出了復雜的功能系統，給人類留下了許多值得學習的場景。然而，對墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發出的電磁波。值得注意的是，當捕食者靠近時，墨魚會通過凍結呼吸來屏蔽其生物電磁場，從而保護自己不被發現。
受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發，可以合理設計一種基于自變形液態金屬網絡的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時提供電子器件的自適應熱管理。液態金屬網絡的收縮可以屏蔽電子操作過程中產生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風險的情況下屏蔽生物電磁場一樣。同時，收縮的液態金屬網絡還可以增強電子器件的散熱性能。
02
成果掠影
近期，上海交通大學鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發設計一種具有自適應電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動態自變形特性，從而使液態金屬網絡具有可調的導熱/導電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導熱系數可提高到10.3 W/mK，電導率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導電性的提高有助于增強LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。
展開 四川大學鄒華維教授團隊《AFM》：空間極端環境用仿生可逆粘附材料
大自然帶給了材料學家們無限的設計靈感，從荷葉、竹、木等的微觀多級結構及特殊功能，到具有突出力學性能的貝殼珍珠母層、蜘蛛絲，以及具有水下超強粘附的貽貝蛋白，一系列高性能及功能化聚合物仿生材料受此啟發，相繼被研發并得到實際應用。壁虎、蜥蜴等動物腳趾因其可以在物體表面產生強粘附并可輕易快速脫附而受到了人們的廣泛關注。研究表明，這一獨特的可逆粘附能力主要依賴于動物腳趾表面精細的多級剛毛結構，并基于范德華力及毛細作用力等得以實現（圖1a）。受此可逆粘附原理啟發，過去二十年，研究人員重點圍繞物理結構設計制備了一系列性能優異的仿生可逆粘附材料，并在精密器件轉運、智能機器人、醫療等領域展現出廣闊的應用前景。由于仿生粘附材料展現出的可逆特性及范德華力普適性相互作用，其在空間微重力、真空環境及多種材質表面均能良好發揮其可逆粘附功能，因此在空間技術，如航天器及裝置在軌操作、艙內及艙外機器人行走策略、空間碎片以及在軌飛行物捕捉等領域展現出很好的應用前景。近年來，美、歐等研究人員圍繞這些應用展開了先期探索工作（圖1b）。然而，空間在軌高低溫及輻射等極端環境條件對聚合物基仿生粘附材料的使用性能將產生顯著影響，開發適用于空間環境的仿生可逆粘附材料，將對該類材料走向空間實際應用，促進在軌服務技術的發展和革新具有重要意義。
圖1 具有可逆粘附能力的生物微結構及其仿生材料空間應用示意。（a）不同尺度下壁虎腳趾表面微結構形貌（圖片來源：PNAS, 2005, 102 (2), 385-389）；（b）仿生可逆粘附材料用于空間站外部檢查機器人構想圖（圖片來源：A. Parness, etc., presented at AIAA SPACE Conf. and Expo.
展開 北林郝翔CCS Chem：化學能驅動的非平衡態主客體仿生組裝材料
生命體內的組裝體受控于耗散熱力學，體系必須依托外界能量的持續輸入才能表現出瞬態組裝的趨勢，一旦失去能量供給或能量消耗，組裝體立刻表現出解組裝的行為。這種現象在細胞分裂、信號傳導、微管蛋白形成等過程均可以被發現，通過持續消耗能量分子如腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）或鳥嘌呤-5'-三磷酸(GTP)，生命體從而能夠存在和實現機能。有別于傳統熱力學自組裝的方式，模擬這種化學能量驅動的耗散自組裝是真正構造仿生材料的基礎。
圖1. 化學能驅動的競爭型非平衡主客體系統策略示意圖
北京林業大學青年教師郝翔長期致力于化學能驅動的非平衡態系統材料研究，在前期相繼實現ATP能量驅動的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學能驅動的非平衡態流體的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發了一類ATP驅動的仿生“競爭”型非平衡態主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統能量分子-ATP雙重角色：化學能量單元和“耗散”型競爭客體，實現了ATP驅動的主客體非平衡態系統的建立，并成功將此策略運用于化學能驅動的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
展開 復旦大學梅永豐教授課題組報道新型仿生水黽的自驅動智能材料
水凝膠是一類具有親水基團的三維網絡結構聚合物智能材料，在水中可以迅速溶脹并在溶脹狀態可以保持大量體積的水而不溶解。由于水凝膠具有良好的生物相容性和生物系統的相似性，被廣泛用于傷口敷料、隱形眼鏡等日常生活以及組織工程、軟機器人等前沿研究。然而，由于水凝膠富含親水基團，在本征上表現為親水特性，一般不疏水，因此基本不存在具有疏水特征的純水凝膠材料。
4月14日，復旦大學材料科學系梅永豐教授課題組在《科學·機器人學》（Science Robotics）上發表題為《仿生水黽的自驅動水凝膠》（“Self-powered locomotion of a hydrogel water strider”）的研究工作。博士研究生朱紅為第一作者，梅永豐教授為通訊作者，該工作得到復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程國家重點實驗室共享儀器平臺的大力支持。研究團隊從“0”出發，原創性地合成了一種具有動態疏水特征的新型水凝膠智能材料。該水凝膠在水面上可自驅動運動，無需額外能量供給；飽和吸水后該活性水凝膠即停止運動，干燥處理可恢復活力，再次實現自驅動快速水面運動。
圖1.水黽在水面運動的照片（A），運動機理示意圖（圖A左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（B）；活性水凝膠水黽在水面運動的照片和軌跡圖（C），運動機理示意圖（圖C左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（D）；活性水凝膠水黽在有水的迷宮的水面自發找到出口的運動軌跡照片（E）；刺激響應性活性水凝膠水黽在受到pH刺激變形后靠岸行為的運動軌跡照片（F）及靠岸后的側視照片（圖F右上角插圖）。
展開 
融合電子與生物學，看3D打印仿生眼背后的3D打印技術
不久前，美國明尼蘇達大學Michael McAlpine研究團隊在《先進材料》(Advanced Materials)期刊上發表了新的研究成果-3D打印仿生眼。研究團隊通過一種復合材料3D打印機以及導電的油墨材料，在玻璃半球的自由曲面上制造出圖像傳感陣列。
本期，3D科學谷就與谷友一起來了解明尼蘇達大學團隊在制造3D打印仿生眼時所使用的3D打印技術。
電子技術與生物學相融合
McAlpine研究團隊所從事的領域屬于將生物電子學領域，他們通過復合材料3D打印技術，在自由曲面和基底上制造打印納米級的電子油墨。通過3D打印技術，研究團隊能夠將有源電子設備與生物學相結合，制造自由幾何形狀的仿生器官，例如仿生眼、智能假肢。
明尼蘇達大學Michael McAlpine的團隊正在研究多種3D打印材料，用于制造生物電子裝置，左邊第一張圖即為前不久發布的3D打印仿生眼。圖片來源：明尼蘇達大學。
生物體的器官、組織是柔性的、三維的，并且對溫度敏感，而通常功能電子器件是平面的、剛性的，如果通過常用技術來制造仿生電子裝置，與生物學(人體)的器官、組織的特性并不相符。
3D科學谷了解到，明尼蘇達大學研究團隊解決以上問題的方式是使用3D打印技術，提供自由幾何形狀的制造。該方法解決了許多可能性：（1）使用3D打印實現個性化的多功能設備架構; （2）采用納米油墨作為引入各種材料功能的有利途徑; （3）3D打印一系列功能性墨水，以實現從生物到電子的各種材料的交織。
3D打印提供了一個多尺度平臺，可以結合功能納米級墨水，創建微尺度特征，并最終創建宏觀打印對象。
展開 寧波材料所在非對稱仿生智能水凝膠驅動領域取得系列進展
圖2 （A）具有復雜驅動和智能變色協同功能的水凝膠“仿生章魚”示意圖；（B）“仿生章魚”在外界環境刺激下的形變-色變協同過程；（C）“仿生章魚”的可逆復原過程
課題組關于智能水凝膠復雜驅動及其與其他智能功能協同的一系列研究，為制備新型的智能水凝膠提供了新思路，推動了智能及仿生系統向更高的智能級別邁進，具有重要的科學意義和巨大的潛在應用價值。
以上工作得到了國家自然科學基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創新促進會的支持（2017337）。
來源：寧波材料所
展開 《先進功能材料》首爾國立大學設計出具有變色能力的仿生柔性致動器
在一篇發表于Advanced Functional Materials的論文中，首爾國立大學的Jinhyeong Kwon博士和Seung Hwan Ko教授及其同事設計了具有仿生致動能力的色移各向異性柔性致動器（CASA）。
Hyeonseok Kim說道：“傳統熱操作柔性致動器具有局限性，因為其功能取決于整個設備的幾何形狀，并且加熱器的設計很復雜。然而，利用聚合物的各向異性熱膨脹特性，我們可以通過簡單地改變聚合物的方向來輕松地編制程序。“
具有不同縱橫比的CASA可以在加熱時以相同的曲率在相同方向上彎曲，而且在冷卻后恢復到初始形狀。通過將低密度聚乙烯薄膜（LDPE膜）的縱向方向相對于致動器的縱向方向改變至90°，在寬度方向上會產生扭曲和彎曲。
Hyeonseok Kim說：“通過在上述致動聚合物上應用熱敏顏料，我們可以成功模擬動物的運動和著色。這可能會在仿生柔性致動器領域產生重大影響。”
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801847
來源：Wiley
展開 《Macromolecules》南昆士蘭大學宋平安：仿生、強大且堅韌的納米結構聚乙烯醇/肌醇復合材料：氫鍵交聯如何工作？
最近
，
南昆士蘭大學科研團隊
以肌醇 (IN) 分子作為交聯劑制備了堅固且堅韌的納米結構 PVA 復合材料。
添加 1.0 wt% 的 IN 可將 PVA 的屈服強度 (σ
y
) 提高至 148 MPa（約 31%），同時斷裂應變（增加 250%）和韌性（增加 3.6 倍）也顯著增加由于動態物理交聯和晶粒細化。
團隊
表明，在 H 鍵交聯密度 (n
e
) 和 σ
y
、鏈運動（例如，玻璃化轉變溫度 (T
g
)、弛豫活化能 (E
a
)）和晶粒尺寸之間存在密切但簡單的相關性(L)，即 σ
y
∝ n
e
、T
g
、E
a
和 1/L。這項工作揭示了氫鍵交聯對 PVA 微觀結構和機械性能的控制作用，并首次揭示了其與機械性能、鏈動力學和結晶的相關性。這些令人興奮的發現為創造堅固、堅韌和延展的聚合物材料開辟了許多新的機會。
圖
1.
(a) 通過簡便的溶液混合和薄膜澆鑄方法制備 PVA-肌醇 (IN) 復合材料的示意圖；它們的分子間氫鍵（H鍵）相互作用和MD模擬的H鍵。(b) PVA、(c) IN-1、(d) IN-2 和 (e) IN-5 的 TEM 圖。(f) PVA 內納米相的相尺寸 (直徑) 和 (g) 分數。（h）IN-2.0 的 SEM 圖像以及線性元素 O 掃描，表明納米相由富含 IN 的 PVA-IN 聚集體組成。
圖
3
.
展開 