仿生科学与技术

仿生科学与技术

Bio-inspiredScienceandTechnology

郑州大学Biologically-inspired ClimbingRobots inUnstructuredTerrainAdhesiveProperties一、仿生学的历史HistoryofBionics仿生学的发展阶段仿生学萌芽时期(远古至1940年)仿生学建立时期(1940～1960年)仿生学巩固时期(1960～1990年)现代仿生学时期(1990年至今)公元前450—500年，鲁班带有锯齿的木工锯。2300多年前墨子和他的300弟子，花了3年时间，造成一只“会飞的木鸟”，同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。仿生学萌芽时期1903年12月17日，美国人莱特兄弟发明飞机。1884年，法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维素制成硝酸纤维。同年，英国人查尔斯·克劳斯Charles·F·Cross)和爱德华·贝文(EdwaId·J·Bevan)申请了第一个醋酸纤维制造方法的专利，这两种纤维的问世是仿生学运用的成果。仿生学建立时期20世纪40年代，出现了调节理论。1944年，申农(C．Shannon)提议建立了信息论。1949年，控制论创始人、美国科学家维纳(N．Wiener)出版了《控制论》。

控制论是研究机器和生物体中控制与通信的科学。成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信上进行类比的科学理论基础。1960年9月诞生了一门新的交叉科学——仿生学。1960年9月13～15，在美国俄亥俄州达顿城(Dayton)的一个空军基地，召开了美国第一届仿生学讨论会。J．E．斯蒂尔(JackEuwoodSteel)博士，给这门新诞生的科学分支起了一个名字叫做bionics(仿生学)。因此，从1940～1960年属于仿生学的建立时期。该时期，人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生学理论。

从实质上看，仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法，即向生命系统学习的理念，模拟生命系统的方法。使人类从一个崭新的视角透视世界，发现前人未发现的事物，实现科学技术的原始创新，这是其他科学无法比拟的优势。模拟是仿生学理论的实质所在，是通过联想来获得由一种事物到另一事物的思维的推移与呼应，是从生命系统的角度研究其他问题的重要方法。仿生学巩固时期美国从1960年起，先后召开过多次全国性的仿生学学术讨论会。北约组织专门讨论了仿生学与宇宙空间研究的关系。前苏联的仿生学研究是在前苏联科学院控制论委员会领导下专设一个仿生学局，以协调全苏的仿生学研究工作。至1975年已召开多次全苏仿生学座谈会，同时，还举行过多次加盟共和国仿生学专业会议。我国的仿生学研究工作始于1964年前后。1975年12月26日～1976年1月3日，中国科学院在北京主持召开了我国第1次仿生学座谈会。1977年的“全国自然科学学科规划会议”正式、全面地制定了我国的仿生学研究规划。从仿生学诞生到20世纪70年代初期，美、俄(前苏联)等许多国家都曾对仿生学知识进行过广泛宣传，大量的知识性文章和书籍相继出版。

总之，1960～1990年各国政府及科研单位、科研人员已广泛地唤起整个社会对仿生学的理解与支持，所以，属于仿生学的巩固时期。该时期，人们借助仿生学的研究理念与方法在信息仿生学、控制仿生学、力学仿生学、化学仿生学、医学仿生学等领域中取得了新的成就，进一步巩固了仿生学的科学地位。现代仿生学时期美国有一项优先发展制造、先进材料以及先进军事装备研究等领域的长期计划，德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力。英国在1993年5月就发表了题为《运用我们的潜力——科学、工程和技术战略》白皮书。日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。这是一场在仿生科学技术研究领域内展开源头研究的全球竞争。中科院香山科学会议于2003年12月11～13日召开了题为《仿生学的科学意义与前沿》的第220次学术讨论会。路甬祥院士和杜家纬研究员分别作了题为“仿生学的意义与发展”和“21世纪仿生学对我国高新技术产业的影响”的主题评述报告。提出了“仿生科学与技术”系统性基础研究的方向和优先发展的前沿领域和基本发展战略。

①建立复杂生物体系的研究与发现。着重发展仿生结构与力学，仿生材料与微纳系统，仿生功能器件及控制，分子仿生，神经和信息科学等五大“仿生科学与技术”系统性基础研究的方向；

②优先发展仿生材料，仿生工艺，仿生机械，仿生功能器件，微纳米仿生技术，仿生传感器，基因仿生工程，组织仿生工程，生物膜仿生工程和人工智能等10个前沿领域的研究与开发；③注重仿生科学技术创新研究在我国当前优先发展的141项高技术产业领域中的应用和商业化。

路甬祥院士发表了著名文章《仿生学的意义与发展》，提出了现代仿生学的前沿包括：①随着分子生物学和系统生物学的进展，以及纳米技术和MEMs技术发展的推动，仿生学向微纳结构和微纳系统仿生学方向发展；

SignificanceandProgressofBionics

JournalofBionicsEngineering(2004)

②随着信息技术向网格和智能化方向发展以及神经发育生物学的进展，向智能与认识仿生学以及可持续经济仿生学、管理仿生学等方向发展；③随着人们对生态环境关心的日益迫切，将引发过程仿生学、能源仿生学等发展；

④随着对基因组、蛋白质结构、脑与神经结构与功能的认识，可能会推动以解读生命信息为目的的计算仿生学的发展。“管理仿生学”、“经济仿生学”的前沿地位首次由国内权威专家确认。这为仿生学研究扩展到社会科学领域提供了强有力的支持，突破了过去仿生学研究仅限于自然科学领域的范畴。

1990年至今，仿生学的研究地位已上升到国家安全战略需要的高度；研究范围既向基因组、蛋白结构等分子水平方向发展，也向管理、经济等宏观方向发展；既向自然科学领域内的多个方面发展，又向社会科学领域渗透。呈现出了全球竞争、文理并进的发展态势，全面体现了仿生学在科学与技术研究中的源头创新作用。起源：仿生学（Bionics）这个名词来源于希腊文“Bion”，其含意是生命的单位；20世纪60年代，Bionics----Biomimetics---Bio-inspiredScience

二、DefinationofBionics

(仿生学的定义)定义：研究生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理以及系统构成的技术科学，是一门生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学的交叉学科。特点：仿生学是一门高度综合的学科，物质科学、信息科学、脑与认知科学、数学、生命科学、工程技术学、系统科学甚至经济学等等多学科相互交叉、渗透。它的研究涉及多水平，多层次。从部分到整体，从分子到生物圈，都是它的研究对象。研究内容：

1、仿生材料

2、仿生结构和力学、仿生工业设计

3、仿生功能器件以及控制

4、分子仿生

5、人工智能与认知研究方法：有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。现状和前景国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换、信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题，到生物系统中去寻找启迪。哈尔滨工程大学研发出有八只脚、二十四个自由度的多足机器人，可模仿神经网络系统遥控其爬行；日本展出的女机器人在皮肤、步态等方面已达到了乱真的程度；东京工业大学广濑教授等研制的机器蛇从1992年的ACMR1陆地型发展到2005年的ACM—R5水陆两栖型；中科院沈阳自动化所研制的机器蛇也在向水陆两栖型运动发展；美国Stanford大学的科学家研究仿壁虎机器人仿生学促进生命科学、工程技术的发展

动物运动的人工诱导和神经工程学的建立。

1997年，Holzer(法国）和Isao(日本)将蟑螂两个触角和翅膀切掉，用4个电极替代，有线刺激诱导蟑螂运动。后来Isao成功地遥控诱导了蟑螂运动。诱人前景2001年12月，美国商业部、国家科学基金会和国家科技委员会纳米科学工程与技术分会联合发起的由科学家、政府官员和产业界技术专家参与的圆桌会议，就“提升人类能力的会聚技术”进行研讨，提出一个NBIC理念例。NBICNanotechnology(纳米技术)、Biotechnology(生物技术)、Infomationtechnology(信息技术)和Cognitivetechnology(认知技术)。

NBIC会聚技术的重大意义在于：以上四个领域的技术在当前都迅速发展，每一个领域都有巨大潜力。而其中任何技术的两两融合、三种会聚或者四者集成，都将产生难以估量的效能。仿生学目前的发展态势不仅应和了NBIC会聚技术，后者也将是仿生学发展的主要方向。仿生学的意义在于：将生物35亿年进化的结果作为发明的参考；

将生物多样性作为技术方案选择的宝库；将脑与神经系统结构与功能作为认知研究和智能机器的最好示范；

将精妙和多样的微结构和微系统作为微、纳米结构和微系统技术的极好参照；将35亿年形成的生物在复杂环境中感知、判断、捕食、伪装、轨避能力和适应机制作为传感、判断、控制、隐身、环境适应等技术的最好学习对象⋯⋯1)经过35亿年进化的生物世界是技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉；2)仿生学是诸多学科的交叉，需要生命科学家和多学科技术科学专家的共同关注与参与；3)仿生科学有无止境的前沿，正向微观、系统、智能、精细、洁净方向发展；4)重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。三、仿生设计（Bionic

Designs）主要涉及到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科。仿生设计学研究范围非常广泛，研究内容丰富多彩，涉及到自然科学和社会科学的许多学科。

“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构”等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行的设计，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。仿生设计学的研究内容

1、形态仿生设计学:

研究生物体（包括动物、植物、微生物、人类）和自然界物质存在（如日、月、风、云、山、川、雷、电等）的外部形态及其象征寓意，以及如何通过相应的艺术处理手法将之应用与设计之中。

2、功能仿生设计学：主要研究生物体和自然界物质存在的功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，以促进产品的更新换代或新产品的开发。

3、视觉仿生设计学：研究生物体的视觉器官对图象的识别、对视觉信号的分析与处理，以及相应的视觉流程；他广泛应用与产品设计、视觉传达设计和环境设计之中。

4、结构仿生设计学研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理在设计中的应用问题，适用与产品设计和建筑设计。研究最多的是植物的茎、叶以及动物形体、肌肉、骨骼的结构。

仿生设计学的特点

1、艺术科学性2、商业性3、无限可逆性4、学科知识的综合性5、学科的交叉性仿生设计的历史

木棒和石斧、风筝、船体一八ОΟ年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一—凯利模仿鳟鱼和山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型结构.

法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他的著作《动物的机器》一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。1852年，法国人季法儿发明了气球飞船；1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚信人能飞行。仿生设计的发展

19世纪末，内燃机的出现，给了人类有史以来一直梦寐以求的东西：翅膀。1903年莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。

在飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落，靠转动这只下落的翅膀保持平衡；这只翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定和平衡。这两个人给他们的滑翔机装上翼梢副翼进行这些实验，由地面上的人用绳控制，使之能转动或弯翘。他们的第二个成功的实验是用操纵飞机后部一个可转动的方向舵来控制飞机的方向，通过方向舵使飞机向左或向右转弯。

1960年秋，在美国俄亥俄州召开了第一次仿生学讨论会，成为仿生学的正式诞生之日。此后，一大批仿生设计作品如智能机器人、雷达、声纳、人工脏器、自动控制器、自动导航器等等应运而生。目前，仿生设计学对生物体几何尺寸及其外形的模仿同时，还通过研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息传递等各种优异特征，并把它运用到技术系统中，改善已有的工程设备，并创造出新的工艺、自动化装置、特种技术元件等技术系统.为创造新的科学技术装备、建筑结构和新工艺提供原理、设计思想或规划蓝图，亦为现代设计的发展提供了新的方向，并充当了人类社会与自然界沟通信息的“纽带”。

探索人脑,对植物光合作用的研究，将为延长人类的寿命、治疗疾病提供一个崭新的医学发展途径。对生物体结构和形态的研究，有可能使未来的建筑、产品改变模样。使人们从“城市”这个人造物理环境中重新回归“自然”。仿生设计亦可对人类的生命和健康造成巨大的影响。例如人们可以通过仿生技术，设计制造制造出人造器官，如血管、肾、骨膜、关节、食道、气管、尿道、心脏、肝脏、血液、子宫、肺、胰、眼、耳以及人工细胞。

仿生设计学的研究方法

1、创造生物模型和技术模型首先从自然中选取研究对象，然后依此对象建立各种实体模型或虚拟模型，用各种技术手段（包括材料、工艺、计算机等）对它们进行研究，做出定量的数学依据；通过对生物体和模型定性的、定量的分析，把生物体的形态、结构转化为可以利用在技术领域的抽象功能，并考虑用不同的物质材料和工艺手段创造新的形态和结构。①从功能出发、研究生物体结构形态——制造生物模型。找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识。从功能出发，研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以简化，提出一个生物模型。对照生物原型进行定性的分析，用模型模拟生物结构原理。目的是研究生物体本身的结构原理。

②从结构形态出发，达到抽象功能——制造技术模型根据对生物体的分析，做出定量的数学依据，用各种技术手段（包括材料、工艺等）制造出可以在产品上进行实验的技术模型。牢牢掌握量的尺度，从具象的形态和结构中，抽象出功能原理。目的是研究和发展技术模型本身。

2、可行性分析与研究建立好模型后，开始对它们进行各种可行性的分析与研究：①功能性分析找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识。从功能出发，对照生物原型进行定性的分析。

②外部形态分析对生物体的外部形态分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此过程中重点考虑的是人机工学、寓意、材料与加工工艺等方面的问题。③色彩分析进行色彩的分析同时，亦要对生物的生活环境进行分析，要研究为什么是这种色彩？在这一环境下这种色彩有什么功能？

④内部结构分析研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以简化，通过分析，找出其在设计中值得借鉴合利用的地方。⑤运动规律分析利用现有的高科技手段，对生物体的运动规律进行研究，找出其运动的原理，针对性的解决设计工程中的问题。产品仿生设计1形态仿生1）具象形态的仿生具象形态是真实的外界形态映入眼帘刺激神经后，观察者所感觉到的存在形态。由于具象形态具有很好的情趣性、可爱性、有机性、亲和性、自然性，人们普遍乐于接受，在玩具、工艺品、日用品应用比较多。但由于其形态的复杂性，很多工业产品不宜采用具象形态。设计案例：2）抽象仿生设计抽象的仿生形态具有以下特征：

---形态高度的简化性和概括性---形态丰富的联想性和想象性---同一具象形态的抽象形态的多样性功能仿生设计主要研究生物体和自然界物质存在的功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，以促进产品的更新换代或新产品的开发。

2功能仿生设计

蜻蜓的飞行原理与直升飞机高级研究用正置生物显微镜：内置“复眼”照明，使数码成像更为理想。昆虫单复眼与生物显微镜

3、结构和材料的仿生

人们在“仿生制造”中不仅是师法大自然，而且是学习与借鉴他们自身内部的组织方式与运行模式。有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；有些甚至是根据某种数理法则形成的，合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些为人类提供了“优良设计”的典范。

蜂巢与散热器

有效散热节省材料坚固仿生设计在工业设计中的应用1、视觉传达设计中的仿生应用2、产品设计的仿生3、环境设计的仿生产品造型中的仿生设计1、仿生设计中的情感因素2、仿生设计中的应用原则与造型趋势图形仿生中对形体轮廓的视觉认知形态仿生中心理通感的形成意象仿生中的情感共鸣功能仿生对使用情境的塑造。全球著名仿生建筑美国科罗拉多州丹佛国际机场

英国伯明翰塞尔福瑞吉百货大楼荷兰鹿特丹的“城市仙人掌”

波特兰市的连跳商业中心“树纹塔”摩天大楼由美国著名的环境设计大师、建筑师威廉·麦克多诺(WilliamMcDonough)设计。“树纹塔”使建筑可以像树木一样进行光合作用，在设计中，充分利用太阳能和自然光，不仅实现视觉上震撼效果，同时使得整个建筑物被环境所包围，成为名副其实的绿色建筑。

瑞典马尔默的“螺旋中心”大厦是斯堪的纳维亚半岛的最高建筑物，高189米，共有9个区层，每区层有5层，有152个单元，每区层都旋转少许，使整栋大厦共旋转90度。伦敦市政厅:这座建筑物全部使用了无污染的可回收的材料。

巴黎“防烟雾”大厦新科技中心，建筑所用的原料都是可回收可降解材料。这所建筑的功能非常完善，有公共场所、会议室、画廊、餐厅和花园。采用太阳能发电和光合作用净化空气.美国辛辛那提的“罗布林大桥坡度”大厦:顶层的倾斜坡度使用了仿生技术与周边的自然环境相适应，与著名的城市标志罗布林大桥相配合。大厦的建筑色调充分反映出了城市和天空的搭配，同时，这所大厦还具有缓解交通压力的功能。

哥斯达黎加“世界方舟”(ArkoftheWorld,CostaRica)使用可变形的金属材料和使用先进的“blob-like”流媒体图像技术。这个建筑的基础是一个球形，建筑师充分使建筑物与周围自然环境进行合理搭配。四、Bio-InspiredMaterials

(仿生材料)定义：受生物启发或者模仿生物的各种特性而进行的材料仿生或者过程的仿生。研究范围：

1、生物材料的微结构

2、生物组织形成的机制

3、结构和过程的相互关系

4、新材料的设计与合成

四、TheCurrentofBio-InspiredMaterials

(仿生材料发展的现状)20世纪90年代美英日等国投入专门力量进行研究20世纪80年代，清华大学李恒德院士和北京大学王夔院士等在国内开展了天然生物材料的微观结构以及生物矿化和病理矿化机理等方面的研究北航与中科院自动化所研制出仿生机器鱼，主要制造材料为玻璃钢和纤维板。它的最高时速可达1.5米／秒，能够在水下连续工作２小时～３小时。ChapterII:BiomimeticProcessforComponentsandStructures

1.ComponentsofBone2.Hydroxyapatite,HAFluorapatiteCa10(PO4)6F2ChlorapatiteCa10(PO4)6Cl2HydroxyapatiteCa10(PO4)6(OH)2PodoliteCa10(PO4)6CO3Carbonate-apatiteCa10(PO4,CO3)6(OH)2FrancoliteCa10(PO4,CO3)6(F,OH)2ComponentsofBoneFreshBone:InorganicSalts:65%(Ca2+:34%;P:15.2%)OrganicCompounds:25%Water:10%DriedBone:InorganicSalts:76.04%OrganicCompounds:23.96%Hydroxapatite(a,b)非晶磷酸钙（ACP),磷酸八钙（OCP),二水磷酸氢钙(DCPD)ACP---OCP---HADCPD---HAHA*---HA2.Hydroxyapatite(HA)六方晶系，空间群为：P63/m,点阵常数：a=0.9423nm,c=0.6875nmApatite:M10(ZO)6X2BiomimeticMaterialsforComponentsofBone

(骨成份仿生材料)纯羟基磷灰石材料：羟基磷灰石陶瓷（羟基磷灰石粉末、羟基磷灰石晶须、致密羟基磷灰石陶瓷以及多孔羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石复合材料：CaO,ZrO2,Al2O3,CaSO4,生物活性玻璃等羟基磷灰石薄膜：Ti和Ti合金、Co-Cr-Mn合金、不锈钢、金属等羟基磷灰石/有机物复合材料：PE,PMMA,Collagen等BoneRepair,BoneReplacement

（骨修复和替代材料)骨修复材料：

金属、陶瓷、高分子和复合材料钛基材料：商业纯钛、Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Fe,Ti-6Al-4Nb

钴基（合金）材料：铸造Co-Cr-Mo,Co-Cr-Ni-Mo,Co-Cr-W-Ni

不锈钢（316L)

BiomimeticBone

Mimicbothcomposition

andnanostructureofbone

Preparesyntheticbone

prosthetics

Load-bearing

Bioresorbable

Enableregenerationofhard

tissueprostheticsinto

naturalbone.BiomimeticPreparationforMembrane

（仿生膜层制备)HA-（Ti-Al-V):人工牙齿、人工关节、人工长骨等离子喷涂、离子镀、磁控溅射、频射溅射、脉冲激光趁机、电泳沉积、化学沉积、电化学沉积、金属有机物CVD、熔胶凝胶法、热等静压烧结等Lotusflower:selfcleaningfunctionbasedonastructurewithorganizationalhierarchy计算机模拟荷叶表面TheStructuresandStructuralBiomimeticsofNaturalBiomaterials

(天然生物材料的结构和结构仿生)

具有不同尺度上的自组装多级结构，并具有不同尺度上的自组装多级结构，并且大部分属于有机与无机的复合材料。且大部分属于有机与无机的复合材料。特有的结构导致天然生物材料具有比合特有的结构导致天然生物材料具有比合成材料优异的综合性能。TheMicrostructureoftheShellandtheStructureBiomimeticsTheMicrostructureoftheShellGrowingModelsFracturesurfacethroughshellofMytilus

californicusAllCaCO3Prismaticlayer:calciteNacreouslayer:aragoniteTheMicrostructureoftheShellTheStructuralBiomimeticsoftheNacre仿珍珠层陶瓷增韧材料:B4C/Al(叠层)SiC石墨叠层热压成型SiC/Al叠层热压成型Al2O3/C纤维叠层热压烧结Si3N4.C纤维叠层热压烧结Al2O3/树脂热压成型聚合物/陶瓷层状复合材料：Al2O3/纤维增强树枝层状复合材料PMC/Al2O3/PMC层状复合材料磷灰石/金属、磷灰石/聚合物复合材料有机-无机纳米复合材料CVD沉积聚合物/SiO2多层膜交替溅射有机溶液反应涂覆无机材料表面等金属/陶瓷层状陶瓷金属间化合物-金属叠层材料金属-聚合物叠层材料陶瓷-陶瓷叠层材料Bio-inspiredBone(仿生骨）Metal/HAHA/organicsyntheticmacromoleculesHA/naturalbiologicalmacromoleculesNano

bioinspiredbone骨仿生材料主要有以下三类：（1）羟基磷灰石/无机复合材料，其无机相主要是CaO、Al2O3、CaSO4等；（2）羟基磷灰石/有机复合材料，其有机相主要是胶原、聚乙烯、聚甲基丙烯酯甲酯等；（3）羟基磷灰石薄膜，基底主要是金属，包括Ti、Co-Cr-Mo合金和不锈钢等。由于人工仿骨材料一般采用有机高分子作为框架，对于负重部位的骨组织修复，其机械强度不能满足要求。故在当前的临床应用中，负重部位的骨组织修目复，仍采用金属基材料。为了使其得到好的组织相容性，人们研究重点是对仿骨材料进行仿生生物矿化[11]等表面处理与修饰。TheMicrostructureandBioinspiredFabricationofTooth牙齿牙的类型

乳牙:成年牙:

2032小臼牙臼牙犬牙门牙切牙前磨牙磨牙前磨牙切牙尖牙Tooth一、牙釉质理化特性PhysicalcharacteristicsandChemicalpropertis1、物理特性：

分布，厚度：牙釉质是覆盖在牙冠的外表面，其厚度不等，但形成一个完整的护层，牙釉质在不同部位其厚度不同。如在前磨牙和磨牙的牙尖部，釉质最厚达2-2.5mm；而在牙颈部，釉质却薄如刀刃。这主要取决于功能的需要。硬度：由于釉质内的矿物盐含量极高，而且它们的晶体以特殊的方式排列而成，使釉质成为人体中最硬的钙化组织，其硬度为努氏硬度值（Knoopnumber）300KHN.

颜色：牙釉质本身是半透明如果牙釉质薄而且透明度好，则所见到的牙齿呈浅黄色或黄白色。这是由于透过牙釉质看到淡黄色的牙本质。如果牙釉质发育不好，透明度差，则牙齿呈乳白色或呈珍珠色。2、化学特性：

成熟釉质内有机成分、无机成分和水的构成：重量百分比容积百分比无机成分：96-9786

有机成分：<12

水：312

有机成分：蛋白质：目前认为釉质内含有两种蛋白质：成釉蛋白（水溶性）amelogenin:分子量小含有较多脯氨酸和组氨酸。釉蛋白（非水溶性）enamelin:分子量较大，含有较多精氨酸，甘氨酸和天冬氨酸。蛋白质系统。釉质中有机物虽然很少，但对维持釉质的生物学特性有着重要作用。无机成分：羟磷灰石晶体（hydroxyapatitecrystal）.

分子式为C10(PO4)6(OH)2

釉质中还有许多微量元素：镁，氟，钠，钾，铁，锰，锶，锌，铅等。水：釉质中水的分布多围绕羟磷灰石晶体的含水层，其余的水与有机质密切结合，可能有助于某些离子通过，使釉质具有渗透性。牙釉质组织学结构Histologicalstructure1、釉柱Rods

(1)釉柱的一般特点釉质的基本结构单位为釉柱。不同的牙齿其釉柱的数目各不相同。釉柱从釉牙本质界发出，延伸到牙齿表面，贯穿釉质全层。直釉Straightenamel---靠近釉质表面1/3绞釉Gnarledenamel----靠近釉牙本质界2/3釉柱的排列方向：釉柱与牙本质表面垂直，呈放射状排列。(2)柱鞘:(3)釉柱横纹:(4)釉柱超微结构:在电镜下观察，宽约40-90nm,厚约20-30nm，长约160-1000nm。晶体的排列：釉柱的头部：晶体互相平行排列，其长轴平行于釉柱。釉柱的颈部至尾部：晶体长轴逐渐偏离釉柱长轴。2、无釉柱釉质PrismlessenamelorRodlessenamel

分布：釉质最内层及多数乳牙和恒牙的表层约30μm厚。组织特点：其晶体互相平行排列与表面垂直。组织发生：内层是由于早期成釉细胞无托姆斯突，分泌釉基质无釉柱。外层是由于后期成釉细胞分泌釉基质活动停止及托姆斯突退化。成釉细胞托姆斯突分泌釉基质并决定晶体排列方向。

Bioinspiredfabricationofenamel

：Laserirradiation(激光辐照)Bleachingprocess

Growthofenamel(牙釉质的生长)

Performance(牙釉质的性能):

Abrasion(磨耗性能)

Antacid(抗酸性能)

Mineralization(矿化性能)RemineralizationFigure1Needle-likeandflake-likecalciumphosphateprecipitationformedwithself-assemblyoligopeptideingelcarrier,SEM,1000×Figure2Needle-likeandflake-likecalciumphosphateprecipitationformedwithself-assemblyoligopeptideingelcarrier,TEM,17000×Figure3Rod-likecalciumphosphateprecipitationformedwithself-assemblyoligopeptideingelcarrier,thestarmarkerdemonstrateabundleofrod-likecrystals,TEM,61000×金钯合金陶瓷纯钛钛合金铬合金银汞合金

HairStructureandProteinEngineeringTheClassifiedStructureandFunctionofHair毛发的结构（1）表皮由角质结构的鱼鳞状细胞顺向发尾排列而成，一般毛发的表皮层由6—12层毛鳞片所包围，保护头发抗拒外来的伤害，如机械式的破坏。在头发湿润时，表皮鳞片膨胀而易受到伤害。通常头发在碱性状况下，鳞片会张开。遇水会膨胀。（2）皮质（3）髓质

毛发由蛋白细胞和色素细胞所组成，占头发的80%，是头发的主体。纤维状的皮质细胞扭绕如麻花状，从而给予其弹性，张力和韧性。它含有以下连接物：盐健、氢健、硫健，头发的物理性和化学性归属于这种纤维结构。头发的天然色即（麦拉宁因素）它存在于皮质内，是两种色素构成即黑色素、红黄色素。而红黄色素是由红至黄排列。它们是决定于头发的颜色因素。在毛发的最内一层，被皮质层细胞所包围，成熟的头发里才有的结构，呈连续状或断续状。髓质层含硫量低，并且有一种特殊的物理结构，对化学反应的抵抗性特别强。毛发的结构（横切面）主要由α-螺旋结构组成α-角蛋白三股右手α-螺旋向左缠绕形成初原纤维，初原纤维排列成“9+2”的电缆式结构称微原纤维，成百根微原纤维结合成大原纤微。烫发的生化基础：α-角蛋白在湿热条件下可以伸展为构型，冷却干燥时又可恢复α-角蛋白中的螺旋肽链间有很多二硫键，这是肽链恢复α-螺旋的主要力量烫发：头发卷成一定形状，涂上还原剂加热，除去还原剂涂上氧化剂，洗涤冷却头发得到需要的卷曲发型鳞状细胞scalecell皮层细胞Corticalcell初原纤维微原纤维大原纤维角蛋白分子内的二硫键，二硫键的多寡与角蛋白的软硬有关烫发原理化学烫发的原理：烫发剂有两种，一类是含有巯基还原剂，一类是氧化剂。先用还原剂使毛发卷曲，再用氧化剂恢复二硫键，使卷曲固定。Hairstrength毛料衣服被虫蛀的原因：一类蛾的幼中的消化液中有含有大量的巯基化合物，使毛料中α-角蛋白的二硫键还原成-SH，肽链之间的聚合被解除，肽链被消化。ProteinEngineering蛋白质的分类根据蛋白质分子的形状分类根据蛋白质分子的组成分类根据蛋白质分子的功能分类单纯蛋白质按溶解度分类结合蛋白质按辅基成分分类

球状蛋白质(globularprotein)纤维状蛋白质(fibrousprotein)通常长轴与短轴之比小于10者为球状蛋白质，大于10者为纤维状蛋白质。

根据蛋白质分子的形状分类根据蛋白质分子的组成分类单纯蛋白质(simpleprotein)：指结构比较简单，在组成上基本是单纯由氨基酸构成的那些蛋白质。结合蛋白质(conjugatedprotein)：是指结构比较复杂，由氨基酸和其他成分组成的那些蛋白质。辅基：我们把结合蛋白质中非蛋白质部分称为辅基(prostheticgroup)。根据蛋白质分子的功能分类活性蛋白质(activeprotein)：活性蛋白质是指生命运动中一切有活性的蛋白质及他们的前体（见下表）。活性蛋白质占蛋白质的绝大部分。非活性蛋白质(passiveprotein)：非活性蛋白质多担负生物保护及支持作用，如胶原、角弹性蛋白、角蛋白、丝心蛋白等。蛋白质可以分为两种主要类型：纤维蛋白和球蛋白。

纤维蛋白一般是不溶于水的，延展的分子具有韧性。它们的主要功能是维持和支撑单个的细胞和整个的有机体。

-角蛋白和胶原蛋白是最常见的纤维蛋白，

-角蛋白是毛发和动物尾巴的主要成分，而胶原蛋白是腱、皮肤、骨骼和牙齿的主要蛋白成分。

球蛋白是水溶性的、多肽链紧密折叠、轮廓上象一个球型的大分子。球蛋白典型特征是它有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面。球蛋白一般都有一个裂隙，这个裂隙可以特异地识别和瞬间结合其它的化合物。球蛋白包括绝大多数细胞内的催化剂－酶和具有其它功能的蛋白质。蛋白质的分子结构空间结构（高级结构）：二、三、四级结构一级结构（初级结构）一级结构：是共价连接的氨基酸残基的序列，它描述的是蛋白质的线性的（或一维）结构。二级结构：是通过肽键中的酰胺氮和羰基氧之间形成的氢键维持的，包括

-螺旋、

-折叠和转角等。三级结构：是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基侧链的相互作用。四级结构：并不是每个蛋白质都具有的，只有那些是由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条肽链也称之亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。Pauling和Corey根据一些肽段的X-射线晶体图的研究数据，提出了两个周期性的多肽结构：

-螺旋（

-helix）结构

-折叠（

-sheet）结构每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升0.15nm，每圈螺旋需要3.6个氨基酸残基，它们绕螺旋轴上升的距离，即螺距为0.54nm。在

-螺旋中多肽链骨架的每个羰基氧（第n个氨基酸残基）与它后面C-端方向的第四个残基（n＋4）的

-氨基氮形成氢键。螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的长轴。0.54nm0.15nm

角蛋白来源于外胚层细胞，例如皮肤以及皮肤的衍生物：毛发、鳞、羽毛、蹄、角、爪等。角蛋白分为

-角蛋白和

-

角蛋白。毛发中的

-角蛋白的基本结构单位是由4个右手

-螺旋组成的，它们彼此缠绕形成一个左手超螺旋的原纤维，9个原纤维围绕其它2个原纤维排列形成微纤维。微纤维又组装成巨原纤维。原纤维和巨原纤维都是通过二硫键交联的，大大增加了整体结构的稳定性。一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮质细胞。皮质细胞的横断面为20微米。毛发在湿热条件下可以拉长到原有长度的2倍。

-折叠是由伸展的多肽链组成的

β-折叠是另外一种常见的二级结构，处于β-折叠的多肽链相对于α-螺旋来说是肽链的一种伸展状态。分为平行（即两条链都为N→C方向）和反平行式（一条链为N→C，另一条链为C→N方向），维持β-折叠稳定性的力主要是相邻肽链（平行或反平行）之间羰基氧与酰胺氫形成的氫健。在β-折叠结构中，某个氨基酸残基沿着链长方向大约占据0.32nm~0.34nm距离。β-折叠（平行式）俯视图侧视图β-折叠（反平行式）俯视图侧视图

蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是反平行排列的

-折叠。丝心蛋白的一级结构含有长的重复序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly侧链氢位于折叠平面的一侧，而Ala和Ser的甲基侧链和羟甲基侧链位于折叠平面的另一侧，堆积的折叠片靠侧链之间的vander

Waals力结合在一起。PropertiesofProtein(1)PI(Isoelectricpoint)Precipitation

(2)Precipitation(沉淀作用)RelationshipbetweenDenaturationandprecipitation?Casein(酪蛋白),denaturedinboilingmilk,willnotbeprecipitated.Proteinisnotdenaturedbysaltingout(盐析).Proteindenaturationiscommonlydefinedasanynoncovalentchangeinthestructureofaprotein.Thischangemayalterthesecondary,tertiaryorquaternarystructureofthemolecules.

(3)Denaturation(变性作用)影响蛋白质变性的因素

（Factorsaffectingproteinsdenaturation

）–UV–heat–Heavymetals–pHchangesalterationoftheionizationstatesofaprotein,changingchargedistrubutionsandH-bonding–detergentsinterferewithhydrophobicinteractions–highconcentrationsofwatersolubleorganicsubstances(alcohol)alsointerferewithhydrophobicinteractionsLossofBiologicalActivity(失活)LossofSolubilityIncreasedProteolysis(蛋白水解)Mostnativeproteinsarequiteresistanttotheactionofproteolyticenzymes（水解酶）.Duringdigestion,proteinsareexposedtoextremesofpHtoaltertheirstructuresinsuchawayastoexposethepropergroupstoenzymemolecules.

Bioinformatics

TargetidentificationandcloningProteinexpressiontestProteinpurificationandproductionApplicationsPrincipleinProteinBiotechnologyBioinformatics:exploitationofthegenomeBioinformaticsiscentraltotheinterpretationandexploitationofthewealthofbiologicaldatageneratedingenomeprojectsExploitationofthewealthofinformationfromthegenomesofhumanandmodelorganismiscriticaltobiotechnologyresearchApplications:sequenceanalysisSearchforconserveddomainsproteinstructureanalysisCloningandexpressionoftargetgene:+RecombinantVectorGeneofInterestExpressionVectorExpressionofFusionProtein

ProteinEngineering

Deliberatedesignandproductionofproteinswithnoveloralteredstructureandproperties,thatarenotfoundinnaturalproteins.物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组技术DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。WhyEngineeringProteins?

Tostudyproteinstructureandfunction

Applicationsinindustry(enzymes)andmedicine(drugs)--Newandimprovedproteinsarealwayswanted.Example:Extremophilicproteinshavebeenfoundinnature(temperatures,saltconcentrations,pHvalues)couldbeuseful.MethodsforproteinengineeringChemicalorGenetic?

根据人们对蛋白质功能的特定要求，对蛋白质的结构进行分子设计。由于基因决定蛋白质，要对蛋白质结构进行设计改造，必须从基因入手。途径：

预期蛋白质功能→设计出预期的蛋白质结构→推测应用的氨基酸序列→设计DNA的脱氧核苷酸序列蛋白质工程的基本原理根据人们对蛋白质功能的特定要求，对蛋白质的结构进行分子设计。由于基因决定蛋白质，要对蛋白质结构进行设计改造，必须从基因入手。途径：预期蛋白质功能→设计出预期的蛋白质结构→推测应用的氨基酸序列→设计DNA的脱氧核苷酸序列PCR技术是基因定点诱变的常用方法利用人工合成带有突变点的诱变引物，通过PCR扩增而获得定点突变的基因，再通过基因工程的方法，将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译合成所需的蛋白质。PCR:PolymeraseChainReactionPCR:PolymeraseChainReactionProteinswithnewpropertiescanbeobtainedbyrandommutagenesisDNAincellsarerandomlymutated:chemicalmutagens(e.g.,hydroxyamine,sodiumbisulfite),enzymaticsynthesis,mutagenicstrainsofbacteria(withdeficientrepairingsystems).Canbeappliedwhenthecurrenttheoriesareinadequatetopredictwhichstructuralchangeswillgiveimprovementoncertainproperty.AppropriateproceduresforscreeningorselectingfordesiredpropertiesareneededProteinscanbeengineeredusing

sitedirectedmutagenesisNucleotideresiduestobemutatedneedtobefirstidentified:byusinginformationfrom3-Dstructure,homologycomparison,andetc.NucleotideandAminoacidresiduescanbereplaced,deletedoradded.PCRtechnologycanbeusedtocarryoutsite-specificmutagenesis**abcda*b*cd**A)B)C)利用蛋白质结构信息开发应用定量确定蛋白质结构和功能的关系从混杂变异题库中筛选具有特殊结构功能关系的蛋白质，有目的地在特定点位上使蛋白质产生变异。根据已知结构功能关系的蛋白质，用人工方法合成他的便一体，完成人为控制蛋白质的性质。ResearchContentsofProteinEngineeringApplicationsinEngineeringProteins

Engineeringofindustrialenzymes

Re-designofsubstratespecificity(底物专一性）

Foldingandstability

Custom-designedproteins

Chimericprotein

constructionsNovelproteinsmaybegeneratedbydenovodesignComputerModelingGeneconstructionProteinproductioncharacterizationDenovodesignofproteins:Theattempttochooseanaminoacidsequencethatisunrelatedtoanynaturalsequence,butwillfoldintoadesired3-Dstructurewithdesiredproperties.蛛丝显微结构蛛丝显微结构悦目金蛛捕丝放大20倍的光学显微镜照片悦目金蛛拖丝放大4200倍的扫描电镜照片大腹园蛛牵引丝的断口大腹园蛛牵引丝的皮芯层断面结构人工生产蜘蛛丝:微生物寄主法动物寄主法植物寄主法蚕寄主法蜘蛛丝的人工生产

蜘蛛丝具有十分优良的性能，因此先得到这种蛋白质或类似的蛋白质，再进行纺丝，制备人造蜘蛛丝，都是材料科学家长久以来的梦想。

1、微生物植物吐丝

此法是将蜘蛛丝基因转移到细菌、酵母或植物上，通过细菌发酵的方法来获得蜘蛛丝蛋白质，再把这种蛋白质从微孔中挤出，就可得到极细的丝线。这种细菌的繁殖工厂一旦成功建立，将对纺织服装业产生革命性变革。然而由于种种原因，这种方法迄今没有成功，主要因为制成的蛋白质水溶性很小，只能溶于甲酸，并需加入六氟异丙醇为稀释剂，不能用水作溶剂进一步加工。

2、牛羊乳蜘蛛丝

加拿大Nexia生物技术公司(NXB)试验了另一种方法，他们将蜘蛛丝基因注入山羊卵细胞中，制备了重组的蜘蛛丝蛋白质，并用这种蛋白质与水体系完成了环境友好纺丝过程，由于本质上更接近于天然蜘蛛丝蛋白质的组成和纺丝过程，从而成功模仿了蜘蛛，于2002年1月生产出世界上首例“人工蜘蛛丝”。

Nexia公司与美国陆军战士生物化学指挥部(SBCCOM)的科学家合作，采用金色圆网蜘蛛和十字圆蛛，作为基因的来源对哺乳动物的两种细胞进行了转基因处理。将蜘蛛丝基因注入山羊卵细胞中，这种转基因山羊羊乳中蛋白质的结构与性能都完全仿真于蜘蛛丝蛋白质。重组蜘蛛丝蛋白质的纯度最高可达70％～90％，纺丝水溶液的质量浓度为2．89／6～28％(质量／体积)，所纺纤维直径为8～40gm。纺丝采用的是一台特制的微纺丝机，是由HarvardApparatus公司生产的样机，纺丝液溶剂的体积是0．5ml，内径仅5mm。纺丝头用PEEK的HPLC管(Sigma—Aldrich产品)代用，长度6cm，内径0．125mm，纺丝液由一台微型往复泵驱动，这台微纺丝机最少采用25μl纺丝液就可以工作，泵的流速为2～10μl／min，凝固浴组成为70％～80％的甲醇水溶液，初生丝第一次拉伸直接在凝固浴中进行，如有需要可在水浴中进行第二次拉伸，拉伸后在空气中干燥。

第一代的BioSteel直径比天然蜘蛛丝大1～2个数量级，据报道电纺蜘蛛丝可以达到真正的蜘蛛丝的细度。而天然蜘蛛丝具有皮芯层结构，目前看来很难模仿。BioSteel生产与蜘蛛纺丝过程最大的差别还在于后者是液晶纺丝，在蜘蛛的丝腺中，可区分出长度不同的蛋白质，其分子质量分别为120、150、190、250ku和750ku，浓度高达30％～50％，具有酸性，且成为液晶态的溶液。液晶的特征是粘度很低，只需很小的力即可发生形变，而成为丝状，这也正是蜘蛛丝器的精巧之关键。看来，人类还需经过较大的努力，才能真正模仿蜘蛛，实现大规模的绿色高性能纤维生产。

Nexia公司科学家研究初期所用的哺乳动物细胞取自乳牛，但是现在他们发现，采用山羊进行转基因处理更为有利。山羊有70000个基因，他们用转基因工程的方法使山羊携带了一个蜘蛛丝的基因。2002年1月，Nexia正式宣布，有两头这样的“BioSteel山羊”诞生，并被分别命名为webster和Peter。Nexia专利技术的基础是蜘蛛丝的丝腺与山羊乳腺的细胞在解剖上有某种相似性，因而在差异极大的两种动物中的柱状上皮细胞都可以大量制造水溶性的复杂的蛋白质大分子。原则上可以用乳牛实现。Nexia的技术，但是山羊生长更快、更容易。至2002年6月，Nexia和美国军方合作，已经繁殖出150头转基因山羊，饲养在纽约州P1attsbtlrgh的一个前空军基地，并正加速发展。对牛乳和羊乳采用环境友好的加工，可以生产出极高性能的纤维，这在10年前均认为只是一种幻想，今天，人造蜘蛛丝已经问世，成为当代材料科学的一大奇迹。

蚕吐蜘蛛丝

此法利用转基因技术中“电穿孔”的方法，将蜘蛛牵引丝部分的基因注入只有半粒芝麻大的蚕卵中，使培育出来的家蚕分泌出含有牵引丝蛋白的蜘蛛丝。上海生化研究所的科技人员用此法历经数年攻关解决了转基因蚕基因导入、活性基因鉴定及传代育种等一系列技术难题，此研究被列为国家“863”计划重点项目，目前正在进行。

蜘蛛丝的应用

蜘蛛丝因其特殊而优良的性能，在许多领域有着重要的应用。

1、军事

蜘蛛丝强度大、弹性好、柔软、质轻，尤其是具有吸收巨大能量的能力，非常适合防弹衣的制造，用蜘蛛丝做的防弹背心比用芳纶做的性能还好。也可以用于制造坦克和飞机的装甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等。蜘蛛丝还可用于织造降落伞绸，这种降落伞重量轻、防缠绕、展开力强大、抗风性能佳，坚牢耐用。

2、航空航天

可用于结构材料、复合材料和宇航服装等高强度材料。

ThebamboostructureanditsbioinspiredmaterialsBambooisasuperiorwoodsubstituteboards&panelspulp&paperoil&gascharcoalveneerclothcompo