仿生摩擦学课件

仿生摩擦学1仿生摩擦学1主要内容仿生学与仿生摩擦学定义1仿生摩擦学分类2仿生摩擦学研究的重点3重要研究进展及发展评述42主要内容仿生学与仿生摩擦学定义1仿生摩擦学分类2仿生摩擦学研仿生3仿生3445566仿生学的定义仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。7仿生学的定义仿生学是研究生物系统的仿生摩擦学定义

与生命科学的交叉使摩擦学的研究领域和科学基础更加广阔。通过对生物体的减摩、抗粘附、增摩、抗磨损及高效润滑机制的研究，从几何、物理、材料和控制等角度借鉴工程摩擦副的性能，这一领域称为仿生摩擦学。8仿生摩擦学定义8仿生摩擦学的分类(1)从系统构成上可以分为：摩擦学材料仿生、摩擦学表面形态仿生，前者如仿生复合摩擦学材料、仿生涂层和仿生润滑材料，后者如非光滑几何表面形态仿生、柔性非光滑仿生及仿生耐磨形态等。(2)从摩擦学功能上可以分：减摩仿生、增摩仿生、耐磨仿生及防粘仿生等。

9仿生摩擦学的分类9仿生摩擦学研究的重点(1)评价和揭示生物材料的摩擦学性能（减摩、耐磨、减黏、增黏等）；(2)研究具有优异摩擦学性能的生物结构和材料的宏观几何、材料拓扑、表面织构等几何构形的规律性；(3)研究生物结构和材料的创成规律及仿生制造技术。10仿生摩擦学研究的重点(1)评价和揭示生物材料的摩擦学性能（减重要研究进展及发展评述11重要研究进展及发展评述11

一、流固界面的黏附与自清洁仿生

光合作用是植物生长的能量-质量转化环节，叶子是光合作用的器官，因此保持叶子的洁净对植物生长至关重要。12

一、流固界面的黏附与自清洁仿生

121313荷叶效应超疏水和自洁的特性14荷叶效应超疏水和自洁的特性141515这种超疏水表面，使水滴和粘染物与荷叶表面的实际接触面积变得很小；水在荷叶上形成水滴，实现对污染物的浸润和黏附当水滴从荷叶上滚动时便将污染物颗粒带走，形成降雨即可自清洁其表面，并称这种现象为“荷叶效应”。16这种超疏水表面，使水滴和粘染物与荷叶表面的实际接触面因荷叶具有疏水性，落在叶面上的雨水因表面张力的作用形成水珠，即水与叶面的接触角会大于140度，因此，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚落叶面。此外，滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒带走，达到自我洁净的效果。17因荷叶具有疏水性，落在叶面上的雨水因表面张力的作用

Barthlott和Neinhuis发现水在荷叶表面有很高的接触角，这种超常的疏水性，源于荷叶表面复杂的三维介于微米-纳米尺度的表面织构。

莲属和芋的表面形态

1818在超高解析度电子显微镜可以清晰看到：1.荷叶表面上有许多微小的突起的“小山包”，平均大小约为10微米，平均间距约为12微米。2.在山包上面长满绒毛（直径约为1nm的蜡质结晶）。

3.在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。19在超高解析度电子显微镜可以清晰看到：19在德国“荷叶效应”技术已经获得200多项专利，在纺织品、油漆、玻璃、瓷砖和塑料等领域得到广泛的应用。在我国也得到了很好的应用，如服装面料、涂料、高压输电线上的绝缘器、电饭锅内胆、微波炉等等。20在德国“荷叶效应”技术已经获得200多项专利，在纺织下雨前下雨后21下雨前下雨后21动物的许多部位也同样具有显著的疏水性，如水黾脚掌的疏水性使它能够在水面上健步如飞。22动物的许多部位也同样具有显著的疏水性，如水黾脚掌的疏水性使它

研究表明，水黾的这种优异的水上特性，并不像以前的学者认为的依靠的是分泌的油脂所产生的表面张力效应。研究发现，水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构效应来实现的。空气被有效的吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。对其腿的力学测量表明：仅仅一条腿在水面的最大支持力就达到了其身体重量的15倍。23研究表明，水黾的这种优异的水上特性，并

二、生物脚掌与固体表面的黏附及其仿生技术

动物驱动脚掌的几何形态可分为机械锁合方式、柔性平面接触方式和刚毛接触方式，其中机械锁合方式是几乎所有动物均具有的基本结构。24

二、生物脚掌与固体表面的黏附及其仿生技术

图a中，上图和下图分别为前爪和中爪工作时的照片，图中箭头表示爪子对目标面作用力的方向；平面接触式脚掌有时伴随粘性液体（图b），刚毛接触式脚掌一般无粘性液体（图c）。多数动物同时具有两种驱动方式，如蜜蜂具有爪子和粘附器两种冗余附着装置，壁虎具有爪子和刚毛两种附着装置等。2525

动物脚掌与目标表面间接触的基本力学规律可概括如下：脚掌产生摩擦的能力具有明确的各向异性；摩擦力具有自锁合的特点；产生驱动力的脚掌材料拓扑也具有各向异性的特性。

2626

德国的马牌轮胎（Continental），使用了很多的仿生学设计。如ContiSportContact2使用了猫爪和蜘蛛网仿生设计，着地压力分布更加均匀，并且比之前型号的轮胎有更强的抓地力。同时在车辆制动时，就可以提供最大可能的地面接触面积。这就保证了在潮湿和干燥地面上有更短的制动距离，更能确保乘客的安全。27德国的马牌轮胎（Continental2828三、生物表面磨损特性及仿生耐磨技术

29三、生物表面磨损特性及仿生耐磨技术

29穿山甲及其鳞片穿山甲隶属于脊索动物门，是典型的土壤洞穴动物，一般生长于热带及亚热带地区，在我国主要分布于长江以南各省以及中国台湾、海南岛。它不仅善于打洞，还能攀树、游泳，体表被一层褐色或黑褐色坚硬的瓦状鳞片所覆盖，这种鳞片不仅是扒土和扩洞的有效工具，而且对其自身具有重要的防护作用，在穿山甲挖洞、捕食和行动过程中受到土壤和砂、石的自由式磨料磨损作用，却显示了极好的耐磨性。穿山甲鳞片外表面具有一定的曲率变化，并呈现棱纹形几何结构特征。30穿山甲及其鳞片穿山甲隶属于脊索动物门，是典型的土壤洞蛤蜊及其瓣

蛤蜊，俗称飞蛤。在我国黄海和渤海，栖息在潮间带中、下区以下的泥沙滩海底。壳质坚厚，略呈三角形，表面具深浅交替的放射状彩纹，壳顶常呈剥蚀状且细密，三边缘逐渐增粗。其体表呈现出优良的耐磨性能。体表的整体结构使其在运动时，可以减小水的阻力及水砂的自由式磨料磨损作用，并有利于保护其内部软体组织。31蛤蜊及其瓣蛤蜊，俗称飞蛤。在我国黄海和渤海，栖息在潮生物非光滑表面是长期进化的结果。非光滑耐磨表面主要包括以下几种基本类型:

（1）凸包状，如贝壳

（2）凹坑状，如贝壳

（3）沟槽状，如贝壳

（4）鳞片状，如穿山甲32生物非光滑表面是长期进化的结果。非光滑耐磨表面主要包张金波等人在对蛤蜊瓣和穿山甲鳞片样品进行几何结构特征的数据化处理（包括信息采集、数学模型的建立），发现采集的数据点大致呈正弦曲线形，制备了用于磨料磨损试验的棱纹形仿生几何结构样件，并对其进行试验，结果表明：不同的磨损速度、不同的磨料粒径和不同的棱纹分布间距对棱纹形仿生几何结构表面的自由式磨料磨损特性有较大的影响。

图穿山甲鳞片外表面棱纹扫描数据点的拟合曲线33张金波等人在对蛤蜊瓣和穿山甲鳞片样品进行几何结构特仿生非光滑耐磨技术在工程中的应用1.仿生非光滑耐磨缸套2.仿生非光滑耐磨复合层3.仿生非光滑梯度耐磨材料4.仿生非光滑传动滚筒34仿生非光滑耐磨技术在工程中的应用1.仿生非光滑耐磨缸套34

四、流固界面的摩擦及仿生

固体与流体表面的摩擦是典型的摩擦学问题之，在国民经济的许多领域具有广泛的背景。如水下航行器和船舶的减阻、流体在管道内的输送等。因此以水生动物为仿生对象的减阻设计具有重要意义。

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四、流固界面的摩擦及仿生

固体与流体鲨鱼皮效应鲨鱼不同于其他鱼类，从不会被海藻及其他海生物附着。由于他们盾甲鳞的特殊结构是海生物无法近身以及沟槽结构能够减少水流与表皮的摩擦阻力，所以它们是海洋中游速最快的生物之一。36鲨鱼皮效应鲨鱼不同于其他鱼类，从不会被海藻及其他海生

鲨鱼表皮的肋条结构具有很好的减阻功能，以此为基础开发的鲨鱼皮泳衣，减少水流的摩擦力，让身体周围的水更高速的流过，提高游泳运动员的成绩。37鲨鱼表皮的肋条结构具有很好的减阻功

深圳一家公司研制的仿生环保高分子材料“鲨刻烃”仿生膜的灵感也来自鲨鱼皮。这种材料可以用于船舶、潜艇、轮船、水动力设备的表面（如水泵），防止海生物的附着造成的腐蚀（自清洁功能）及减少水阻力。3838

日本新干线的500系列子弹列车是目前全世界最快的列车，最高时速可达300公里。它的设计灵感来源于猫头鹰的翅膀和翠鸟的嘴。猫头鹰的锯齿形翅膀让它在飞行和捕猎是悄无声息，因为这种翅膀可以让气流形成一个个小型漩涡，从而阻止制造噪音的大漩涡的形成。而翠鸟的尖嘴则是空气动力学，使它在飞行时尽量减小阻力。子弹列车39日本新干线的500系列子弹列车是目前全谢谢！40谢谢！40仿生摩擦学41仿生摩擦学1主要内容仿生学与仿生摩擦学定义1仿生摩擦学分类2仿生摩擦学研究的重点3重要研究进展及发展评述442主要内容仿生学与仿生摩擦学定义1仿生摩擦学分类2仿生摩擦学研仿生43仿生3444455466仿生学的定义仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。47仿生学的定义仿生学是研究生物系统的仿生摩擦学定义

与生命科学的交叉使摩擦学的研究领域和科学基础更加广阔。通过对生物体的减摩、抗粘附、增摩、抗磨损及高效润滑机制的研究，从几何、物理、材料和控制等角度借鉴工程摩擦副的性能，这一领域称为仿生摩擦学。48仿生摩擦学定义8仿生摩擦学的分类(1)从系统构成上可以分为：摩擦学材料仿生、摩擦学表面形态仿生，前者如仿生复合摩擦学材料、仿生涂层和仿生润滑材料，后者如非光滑几何表面形态仿生、柔性非光滑仿生及仿生耐磨形态等。(2)从摩擦学功能上可以分：减摩仿生、增摩仿生、耐磨仿生及防粘仿生等。

49仿生摩擦学的分类9仿生摩擦学研究的重点(1)评价和揭示生物材料的摩擦学性能（减摩、耐磨、减黏、增黏等）；(2)研究具有优异摩擦学性能的生物结构和材料的宏观几何、材料拓扑、表面织构等几何构形的规律性；(3)研究生物结构和材料的创成规律及仿生制造技术。50仿生摩擦学研究的重点(1)评价和揭示生物材料的摩擦学性能（减重要研究进展及发展评述51重要研究进展及发展评述11

一、流固界面的黏附与自清洁仿生

光合作用是植物生长的能量-质量转化环节，叶子是光合作用的器官，因此保持叶子的洁净对植物生长至关重要。52

一、流固界面的黏附与自清洁仿生

125313荷叶效应超疏水和自洁的特性54荷叶效应超疏水和自洁的特性145515这种超疏水表面，使水滴和粘染物与荷叶表面的实际接触面积变得很小；水在荷叶上形成水滴，实现对污染物的浸润和黏附当水滴从荷叶上滚动时便将污染物颗粒带走，形成降雨即可自清洁其表面，并称这种现象为“荷叶效应”。56这种超疏水表面，使水滴和粘染物与荷叶表面的实际接触面因荷叶具有疏水性，落在叶面上的雨水因表面张力的作用形成水珠，即水与叶面的接触角会大于140度，因此，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚落叶面。此外，滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒带走，达到自我洁净的效果。57因荷叶具有疏水性，落在叶面上的雨水因表面张力的作用

Barthlott和Neinhuis发现水在荷叶表面有很高的接触角，这种超常的疏水性，源于荷叶表面复杂的三维介于微米-纳米尺度的表面织构。

莲属和芋的表面形态

5818在超高解析度电子显微镜可以清晰看到：1.荷叶表面上有许多微小的突起的“小山包”，平均大小约为10微米，平均间距约为12微米。2.在山包上面长满绒毛（直径约为1nm的蜡质结晶）。

3.在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。59在超高解析度电子显微镜可以清晰看到：19在德国“荷叶效应”技术已经获得200多项专利，在纺织品、油漆、玻璃、瓷砖和塑料等领域得到广泛的应用。在我国也得到了很好的应用，如服装面料、涂料、高压输电线上的绝缘器、电饭锅内胆、微波炉等等。60在德国“荷叶效应”技术已经获得200多项专利，在纺织下雨前下雨后61下雨前下雨后21动物的许多部位也同样具有显著的疏水性，如水黾脚掌的疏水性使它能够在水面上健步如飞。62动物的许多部位也同样具有显著的疏水性，如水黾脚掌的疏水性使它

研究表明，水黾的这种优异的水上特性，并不像以前的学者认为的依靠的是分泌的油脂所产生的表面张力效应。研究发现，水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构效应来实现的。空气被有效的吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。对其腿的力学测量表明：仅仅一条腿在水面的最大支持力就达到了其身体重量的15倍。63研究表明，水黾的这种优异的水上特性，并

二、生物脚掌与固体表面的黏附及其仿生技术

动物驱动脚掌的几何形态可分为机械锁合方式、柔性平面接触方式和刚毛接触方式，其中机械锁合方式是几乎所有动物均具有的基本结构。64

二、生物脚掌与固体表面的黏附及其仿生技术

图a中，上图和下图分别为前爪和中爪工作时的照片，图中箭头表示爪子对目标面作用力的方向；平面接触式脚掌有时伴随粘性液体（图b），刚毛接触式脚掌一般无粘性液体（图c）。多数动物同时具有两种驱动方式，如蜜蜂具有爪子和粘附器两种冗余附着装置，壁虎具有爪子和刚毛两种附着装置等。6525

动物脚掌与目标表面间接触的基本力学规律可概括如下：脚掌产生摩擦的能力具有明确的各向异性；摩擦力具有自锁合的特点；产生驱动力的脚掌材料拓扑也具有各向异性的特性。

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德国的马牌轮胎（Continental），使用了很多的仿生学设计。如ContiSportContact2使用了猫爪和蜘蛛网仿生设计，着地压力分布更加均匀，并且比之前型号的轮胎有更强的抓地力。同时在车辆制动时，就可以提供最大可能的地面接触面积。这就保证了在潮湿和干燥地面上有更短的制动距离，更能确保乘客的安全。67德国的马牌轮胎（Continental6828三、生物表面磨损特性及仿生耐磨技术

69三、生物表面磨损特性及仿生耐磨技术

29穿山甲及其鳞片穿山甲隶属于脊索动物门，是典型的土壤洞穴动物，一般生长于热带及亚热带地区，在我国主要分布于长江以南各省以及中国台湾、海南岛。它不仅善于打洞，还能攀树、游泳，体表被一层褐色或黑褐色坚硬的瓦状鳞片所覆盖，这种鳞片不仅是扒土和扩洞的有效工具，而且对其自身具有重要的防护作用，在穿山甲挖洞、捕食和行动过程中受到土壤和砂、石的自由式磨料磨损作用，却显示了极好的耐磨性。穿山甲鳞片外表面具有一定的曲率变化，并呈现棱纹形几何结构特征。70穿山甲及其鳞片穿山甲隶属于脊索动物门，是典型的土壤洞蛤蜊及其瓣

蛤蜊，俗称飞蛤。在我国黄海和渤海，栖息在潮间带中、下区以下的泥沙滩海底。壳质坚厚，略呈三角形，表面具深浅交替的放射状彩纹，壳顶常呈剥蚀状且细密，三边缘逐渐增粗。其体表呈现出优良的耐磨性能。体表的整体结构使其在运动时，可以减小水的阻力及水砂的自由式磨料磨损作用，并有利于保护其内部软体组织。71蛤蜊及其瓣蛤蜊，俗称飞蛤。在我国黄海和渤海，栖息在潮生物非光滑表面是长期进化的结果。非光滑耐磨表面主要包括以下几种基本类型:

（1）凸包状，如贝壳

（2）凹坑状，如贝壳

（3）沟槽状，如贝壳

（4）鳞片状，如穿山甲72生物非光滑表面是长期进化的结果。非光滑耐磨表面主要包张金波等人在对蛤蜊瓣和穿山甲鳞片样品进行几何结构特征的数据化处理（包括信息采集、数学模型的建立），发现采集的数据点大致呈正弦曲线形，制备了用于磨料磨损试验的棱纹形仿生几何结构样件，并对其进行试验，结果表明：不同的磨损速度、不同的磨料粒径和不同的棱纹分布间距对棱纹形仿生几何结构表面的自由式磨料磨损特性有较大的影响。