第六章智能仿生材料
Add Your Company Slogan
源于生命的灵感
——智能仿生材料
Add Your Company Slogan
内 容
1
2 3 4
智能材料概况
智能材料仿生构思 机器人与电子鼻 智能材料的应用
Logo
什么是智能仿生材料?
5
• “模仿生命系统,能感知外界环境或内部状态所
发生的变化,而且通过材料自身的或外界的某种反 馈机制,能够适时地将材料的一种或多种性质改变 ,作出所期望的某种响应的材料。” ----师昌绪院士 智能仿生材料:模仿生命系统的具有感知、反馈、响应能力的材料或结 构。 内涵: 具有感知功能; 具有驱动功能; 能够按照设定的方式选择和控制响应; 反应比较灵敏、及时和恰当; 当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
智能仿生材料的发展
•
世界各国均在智能仿生学上做了精心、 长期的计划准备美国、德国、英国、日本、 俄罗斯等。 • 中国:《国家中长期科学和技术发展规 划纲要》(2006-2020)把智能材料与结构 技术摆在新材料技术的首要位置。
智能仿生构思
特殊的表面微 观结构:使固/液
界面形成气膜,从 而导致水滴不能浸 润而达到超疏水性. • 植物叶(典型代表荷 叶) • 昆虫翅膀(如蝉、蜻 蜓、蝴蝶翅膀等)
Logo
Logo
Logo
--同位复眼照相机
--精确制导技术
在墙壁上行走的动物——壁虎
壁虎脚底高黏附力的产生原理: -壁虎脚底大量的细毛与墙壁排除空 气制造气压。 -壁虎脚底大量的细毛与墙壁灰尘产 生静电排开灰尘。
Hansen W. R., Autumn K. PNAS 2005;102:385-389K Autumn, et al. Nature 2000, 405:681.
Logo
“响尾蛇”导弹与红外热敏感材料
•
响尾蛇的红外热感应器官:响尾 蛇在眼和鼻孔之间有一个颊窝,是热 能的灵敏感受器,可用来测知周围敌 人的准确位置。这种特殊结构使得响 尾蛇在死后一小时内仍能咬人致死。
“响尾蛇”导弹AIM-9是美国研 制的世界上第一个红外制导空对空 导弹。红外装置可以引导导弹追踪 热的目标,如同响尾蛇能够感知附 近动物的体温而准确捕获猎物。参 加过越南战争、马岛冲突和海湾战 争,号称具有跨时代意义的“空中 杀手”。
次声波与次声武器
• 次声波敏感材料:地震检测仪;可以提出是否
会产生海啸的预警。 • 次声武器:有国家正在研究次声武器,并声称 将来的战争是一种不流血的“干净的战争”。 对抗办法:防次声屏蔽材料
机器人
•
机器人是高科技的集中体现,是结构材料与功能 材料一体化的自动化装置。其中,结构材料用在机 器人骨骼上,起到安全牢固的支撑作用,而功能材 料起到收集和处理外界信息的作用,具有人工智能 的特点。 • 机器人的视听嗅等传感器在
接受外界信息后,会 立即传输给大脑,由大脑判断后及时做出反应。例 如:机器人握水杯。
人类研发的机器人应用
• •
焊接机器人在汽车工业中取得重要应用。 1996年IBM研发的机器人“深蓝”:打败世界 象棋冠军卡斯帕罗夫。1秒钟以内可以考虑2亿种状 态相当于向前看10-15步。 • 2009年5月31日,美国研发的“海神”号机器 人坚挺成功下潜6.8英里(约11000)米,探秘世 界上最深的马里亚纳海沟(挑战者深渊)。“海神 ”号成为有史以来抵达海洋最深的一个自动工具。
电鼻子与气体敏感材料
•
人工嗅觉系统(电子鼻)、人工味觉系统(电子舌 ),引用举例:美国“Mega Gas”传感器,可检测到 包括瓦斯、一氧化碳、甲烷、弗里昂等100种以上有 毒或可燃气体。 • 电鼻子气敏传感装器又叫半导体陶瓷气敏元件。多 孔结构,材料吸附气体以后引起电阻或点和变化,信 号放大得到可以监测。 • 电鼻子的作用:毒贩子的克星、预防煤矿爆炸、确 保家庭安全。
21
智能材料的应用
(1)用于日常生活
• 智能纤维做成的服装:可随人体和环境温度的变化发生相 变,可起到温度调节的作用,使人体始终感受到适宜的温 度。 • 电致变色玻璃:在电场控制下,可以改变玻璃对同波长的 光的透过能力,从而构成智能窗。举例:充电3D眼镜
22
(2)航空航天领域
能经受恶劣环境,同时能对自己的状况进行自我诊断,并能阻止损 坏和退化,能自动加固或自动修补裂纹,从而防止灾难性事故的发生。
机翼用智能材料:在高性能复合材料中嵌入细小的光纤, 光纤象神经那 样感受机翼上承受的不同压力, 光纤断裂时,光传输中断,发出事故警 告。
智能蒙皮:对于飞行器如飞机、火箭、卫星及潜水艇等,具有随外界条件 变化而变化以及探测周围环境的能力的表皮(蒙皮)。
23
(3)抑制振动和噪声
传感元件对结构的振动进行监测,驱动元件在微电子系统的控
制下准确地动作以改变结构的振动状态——具有振动和噪声主动控
制功能的智能结构。 成功应用:减轻交通工具如汽车、飞机振动和噪声。
24
(4)在医学领域的应用
• 智能药物释放体系——以智能材料为载体材料,根据病情 所引起的化学物质和物理量(信号)的变化自反馈控制药物
释放的通/断特性。
举例:智能胰岛素释放体系可感知人体血糖浓度水平并做出 反应,有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平。
25
(5) 建筑和结构工程领域
自修复混凝土
学者们设想具有自修复行为的智能混凝土材料模型为,在材料的基
体中布有许多细小纤维的管道。管中装有可流动的物质——修
复剂。在
外界环境作用下,一旦材料基体开裂,则纤维随即裂开,其内装的修复 剂流淌到开裂处,由化学作用自动实现粘合、自愈。
Thank you
Add Your Company Slogan