5材料仿生完整版本

第四节材料仿生1天然生物材料的特性与仿生2自然界的几种生物体的表面性能

及其仿生纳米界面材料3天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料4北极熊的皮毛的秘密以及蜘蛛的防水防尘1天然生物材料的结构特征与仿生复合特性功能适应性创伤愈合性多功能性天然生物材料的特性

人们从天然生物的研究中得到启示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳等，它们虽然具有简单的组成，但是通过复杂结构的精细组合，赋予这些生物材料具有非常好的综合性能。因此，在材料的设计和研究中，引入了仿生结构设计的思想

，通过“简单组成、复杂结构”的精细组合，来实现材料的高韧性、抗破坏及使用可靠性特性。5生物材料的结构特征分级结构（头发，木）纳米结构（荷叶，蝴蝶）膜结构贝壳的成分主要是碳酸钙和少量的壳基质构成，这些物质是由外套膜上皮细胞分泌形成的。贝壳的结构一般可分为3层：最外一层为角质层，很薄，透明，有光泽，由壳基质构成，不受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。中间一层为壳层，又称棱柱层，占贝壳的大部分，由极细的棱柱状的方解石（CaCO3,三方晶系）构成。最内一层为壳底,即珍珠质层，富光泽，由小平板状的结构单元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体（CaCO3,斜方晶系）。

文石一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿生

对贝壳珍珠层的结构分析表明其并不是单纯的层片结构，而可以看成两级尺度结构的藕合。在珍珠层的一级细观结构上，增强元文石薄片的面层与贝壳表面平行，具有(5~10)

m×(5~10)

m×(0.3~1.5)

m的典型尺寸，整个薄片在同一层面内以小于15nm的有机物粘合，形成所谓硬层（即文石晶片层）。这些硬层再以厚约30nm的有机物粘合起来，形成软硬相间的层状结构。有机基质层对裂纹扩展起到偏转和桥接作用，使裂纹扩展途径。珍珠母是一种由有机基质(包括多糖和蛋白质)为基体、文石晶片形成增强相的两相相间的层状复合材料。其微结构是由一些小平板状结构的文石晶片单元平行累积而成，这些小平板板面平行于贝壳壳面，就像建筑物墙壁的砖块一样相互堆砌镶嵌、成层排列，形成整个珍珠层。这就是在生物材料学和生物学界公认的珍珠母著名的“砖-泥”式结构，它也是令许多艺术家和建筑学家赞叹不已的结构。

珍珠层由文石晶体与有机基质构成。无机相占95％，有机基质由三种生物大分子组成：（1）不可溶的多糖几丁质；（2）一种富甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质，具有反平行

折叠片结构，其x射线衍射谱与丝纤维相似；（3）一种富天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同样是

折叠结构。生物矿化过程中，酸性蛋白质对无机矿物的形成起至关重要的作用，其中的酸性侧链与钙离子有强烈的亲合作用，从而成为矿物晶体的形成核心。这种文石晶片层与多糖及蛋白质构成的有机层交替排列，组成三维结构。有机层的厚度为30～50nm，这样紧密排列而成的结构极为规则。珍珠层中文石晶体与有机基质叠层示意图珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结构。这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因为它也具有珍珠光泽。

贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要原因是由于裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基质桥接等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊组成、结构密切相关。贝壳是的强、韧的最佳配合,它又被称为摔不坏的陶瓷。贝壳的微观结构及珍珠层断裂形貌陶瓷强韧化设计：简单组成、复杂结构；引入弱界面层；非均质精细结构设计针对珍珠层特有的生物特征，清华大学模仿珍珠层的两级增韧机制，设计制备出仿珍珠层的具有较高强度和韧性的复合陶瓷。材料制备是将Si3N4粉、SiC晶须和添加剂混合后，轧制成薄片，模仿珍珠层中的文石晶片层，其中SiC晶须作为二级增韧元。以BN和Al2O3的混和浆料涂覆在轧膜片上，模仿珍珠层中的有机基质层，涂层后的薄片在石墨模中叠块，经排胶后在N2气氛下热压烧结成瓷。模仿珍珠层的结构和增韧机理，采用两级尺度的增韧结构，可以在保持较高强度的前提下，较大幅度地提高材料的韧性。Si3N4／BN-Al2O3纖維獨石陶瓷材料裂紋擴展路徑

裂紋沿結構單元間的間隔層中發生階梯狀的偏轉和分叉的擴展過程松质骨和密质骨例：长骨两端骨骺（松质骨）中间骨干（密质骨）骨的主要有机相：胶原纤维（三股螺旋结构）松质骨，羟基磷灰石+胶原基体密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体二、骨骼的分级结构与仿生

长骨的分级结构示意图（一）仿骨哑铃型晶须研制动物的长骨，其构造特点为中部细长，骨质致密；两端粗大，骨质疏松。

凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度高的区域。长骨两端粗大，一方面在受压时减缓压应力的冲击，另一方面在与肌肉组织的协调配合上，粗大的端部有利于应力传递，更有效地发挥骨质致密的中段骨头的承力作用。这种骨头与肌肉的有效配合，使得肢体的比强度和持重比提高。

若增强剂（短纤维）为两端大的哑铃型，则其填充的复合材料的强度比同样材质的平直纤维的大。例：SiC晶须哑铃型晶须及其制备方法SiO2+C

另外，浙江大学胡巧玲等利用原位沉析法制备了可吸收壳聚糖羟基磷灰石复合的仿骨结构的骨折内固定材料。不仅外形为哑铃形结构，而且可降解吸收、释放出酸根磷和钙离子，弯曲强度为和模量均比人的自然骨高。胡巧玲等:原位沉析法制备壳聚糖棒材的研究.高等学校化学学报，2003（3）：528-531（二）医用梯度材料生物骨是由约占60％～70％的磷钙无机材料和30％～40％的有机材料组成的复合材料，无机材料和有机材料是按一定结构方式复合起来的，具有以下一些特点：（1）具有生物活性，能进行新陈代谢，具有生长与吸收的功能；（2）具有生物力学特征，材料的弹性模量适中；（3）材料具有梯度结构，有机材料和无机材料在不同梯度层次其比例和结构方式不相同。木纤维细胞壁构成：短链高分子半纤维素缔结物质+纤维素集束成微纤丝的骨架物质+块状高分子木素硬化物质复合结构：类似混凝土，有强度又有韧性三、竹木结构及其仿生

细胞壁中的纤维分子聚合成束状，称微纤丝，在微纤丝之间填充着半纤维素和木质素。细胞壁为—个典型的复合结构，它可看作由相当于钢筋的微纤丝、石料的木质素和水泥的半纤维素组成的类似于钢筋混凝土的结构，既有强度，又有韧性。树干的3个切面1—树皮；2—木质部；3—年轮；4—髓线；5—髓心原位沉析法：以壳聚糖膜作为模板，将壳聚糖酸溶液与凝固液隔离，调节膜内外的pH值、碱浓度，通过渗透、梯度中和，壳聚糖分子在模板上原位沉积组装仿木年轮层状结构的材料.四、仿生自愈合材料生物愈合过程是有一些共性的。（1）愈合过程是由损伤而引起的，在生命机能没有受到致命伤害的情况下，损伤是启动愈合机制的最基本条件；（2）在愈合初期，损伤逐渐被由损伤刺激而产生的增生组织所填充；（3）通过机体的输运、化学反应，填充在损伤部位的物质(如薄壁组织、凝块等)发生变化，强度提高，构成与周围组织的有效连接；（4）愈合过程需要一定的物质及能量供应，以产生填充损伤的组织，而向损伤处世行物质供应的输运过程都有液相的参与；⑤生物的愈合是使损伤处的有效连接恢复。(一)利用液芯纤维修复聚合物材料自修复（self-repair）的概念是在埋入基体的液芯纤维于裂纹扩展时释放修复物质治愈裂纹时引入的。Theillustrationoftherepairfibersfilledwithhealingagent.(a)Atwo-partcrosslinkingadhesive.Thetwofibersfilledwithdifferentcomponentsareplacedinaparallelposition;(b)Asinglecomponentadhesive赵小鹏等研究了环氧树脂的自修复过程，作修复纤维用的玻璃细管内装填的是白乳胶。实验测得修复后环氧树脂的平均强度已可达到原有强度的84％。杨红等将灌注胶液的液芯光纤埋入到玻璃钢复合材料中制成兼有自诊断和自修复功能的智能材料，测得其对拉伸能力的修复达到原始值的1/3，对压缩达到2/3以上。（二）利用微胶囊修复受生物体损伤自动愈合的启发，White组研究并报道了一种具有自动修复裂纹能力的聚合物材料。这种材料嵌有内装修复剂的微胶囊，每个微胶囊约有头发丝宽，这些微胶囊遇到裂纹入侵时破裂，并通过毛细作用释放修复剂到裂纹面，修复剂接触预先埋入环氧基体的催化剂而引发聚合，键合裂纹面。这种损伤诱导的引发聚合使得裂纹修复实现了就地自动控制（site-specificautonomiccontrol）。Whiteetal.Nature,2001,409:794-797

冲击实验结果表明这种材料能恢复75％的强度，而且该方法有望适用于其它脆性材料，如硅酸盐和玻璃。Self-repairefficiencyinanepoxypolymerobtainedbyfracturetoughnesstestingoftapereddouble-cantileverbeamspecimens.Theillustrationofself-repairmechanismwithmicroencapsulatedrepairagent.一、植物叶表面的自清洁性（1）粗糙结构—荷叶效应

2自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料

荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构微米-纳米的分级复合结构在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。单一微米或纳米结构示意图（上）微米-纳米的分级复合结构示意图（下）由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒毛相接触。（2）表面各向异性水稻叶表面存在类似于荷叶表面微/纳米结合的阶层结构，但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列有序，而沿着垂直方向呈无序的任意排列，水滴在这两个方向的滚动角也不相同，其中沿平行方向为3-5°，垂直方向为9-15°

类水稻叶表面碳纳米管薄膜蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成。二、昆虫翅膀表面的自清洁性RO不滚动蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（RO方向）倾斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂直RO的两个方向，水滴不易滚离。三、在水面行走的昆虫—水黾水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，它的一条腿能在水面上支撑起15倍于身体的重量，它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离

水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应

水黾腿部的微米刚毛与纳米沟槽结构电镜照片水黾的腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛（直径3um），刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽结构。水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一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

哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿

模仿水黾----新型超级浮力材料

模仿水黾“水上漂”功夫的机器人

四、在墙壁上行走的动物—壁虎壁虎的每只脚底长着大约50万根极细的刚毛（长100um)，刚毛末端又有约400—1000根更细小的分支。微米级阵列刚毛单根刚毛单根刚毛末端的放大

壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力来自于刚毛与物体表面分子之间的“范德华力”的累积（范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生的一种微弱的电磁引力）。壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在绒毛表面，而不是粘在绒毛上，因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。

仿生应用----仿生壁虎脚

利用结构可控的直立型碳纳米管阵列制成（4×4）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。五、自然界中的结构颜色自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或矿物经过进化却选择了结构颜色结构颜色：

依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。静态色：

指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色动态色：指那些可随周围环境及条件变化的颜色变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色具有结构色及动态色的生物大都由光子晶体组成。光子晶体：指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。（是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。）光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏

（1）天然蛋白石

蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。（2）色彩斑斓的蝴蝶翅膀20um10um仿蝴蝶结构AhighermagnificationSEMimageofanaluminareplicatedscale,wherethereplicaexhibitsexactlythesamefinestructures.智能材料是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的一类新型复合材料。智能材料的研究在20世纪末得到了迅速发展，并对军事、建筑、医疗、日常生活等领域产生了深远的影响。六、具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料智能材料需具备以下特征：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏、及时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。液体对固体的润湿是常见的界面现象。作为固体表面最基本的性质，浸润性不仅影响着自然界中生物体的种种生命活动，而且在人类的日常生活、工业、农业等领域扮演着非常重要的角色。1、浸润性的基础理论表面自由能：恒温恒压下，液体或固体表面的分子与它们处于内部时相比所具有的自由能过剩值。高能表面：每平方米几百至几千毫焦，如金属及其氧化物、硫化物、无机盐等低能表面：每平方米二十五至一百毫焦，如有机固体、聚合物等固体固液液固气气固液液固(2)浸渍润湿(1)沾湿润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取代的过程。固固液液气(3)铺展or完全润湿固体的表面自由能越大，越易被一些液体所润湿。接触角：固液界面的水平线与气液界面在三相交点O的切线之间的夹角θ。

(沿气液界面做切线，该切线与固体间的夹角）只适用于θ>=0的情况，不适用于铺展情况习惯上将接触角θ＝90°时定义为润湿与否的标准。θ=180°为完全不润湿；当θ=0°为完全润湿或铺展浸润性由表面结构及表面化学组成共同决定的。影响固体表面浸润性的因素主要有两个：一是表面自由能二是表面微观结构一般来说，接触角θ小于90o的固体表面被定义为亲水表面；接触角θ大于90o的被定义为疏水表面。3、特殊浸润性超亲水、超疏水、超亲油、超疏油是固体表面四个特殊的浸润性。超疏水（油）表面的接触角应大于1500，滚动角小于50；超亲水（油）表面的接触角应小于100度。滚动角：一定重量的液滴在一固体表面开始移动所需的临界倾斜角。

》仅通过表面化学组成很难获得大于120的接触角》有着阶层结构的表面能够使任何材料构成的表面变得不可润湿，即在亲水材料表面构筑阶层结构也可能得到疏水表面粗糙结构可使亲水表面更亲水，疏水表面更疏水。（超）疏水（油）表面方法：构筑多元的微纳阶层结构构筑低能表面涂层3、超亲水/超疏水智能响应性表面（1）光响应性表面例：在玻璃基底沉积TiO2薄膜,具有微纳米级的复合结构,表面含大量的乳状突起.经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后,静态接触角164度,滚动角4度（2）三态浸润性仿生智能开关表面

在基底上制备温度响应高分子的可逆开关；制备阵列氧化锌纳米棒，实现表面浸润性由超疏水向超亲水转变；构筑光开关的浸润性和颜色双重响应的氧化钨纳米薄膜；温度和pH值双重刺激的超疏水与超亲水可逆转换聚合物薄膜

例：具有浸润、变色双功能的“光开关”氧化钨薄膜

采用电化学沉积制备纳米结构的氧化钨薄膜。该薄膜交替地暴露在紫外光和黑暗中，有效地实现了光致变色和光诱导浸润/去浸润两种开关性质的有效结合。

将DNA纳米马达固定在阵列微结构的金基底上，构筑了一个新颖的智能表面。通过酸碱刺激，在该表面上可以实现如图所示的超亲水、亚稳的超疏水和稳定的超疏水三种状态之间的转换。这三种状态分别对应于DNA的三种构型折叠的四链结构、伸展的单链结构与刚性的双链结构。DNA三种构象的变化使得所构筑的表面顶部的化学功能团也相应地发生变化，从而导致了表面浸润性的转变。

close时表现出亚稳的超疏水性(微小的刺激会使超疏水性失去)．open时显示出超亲水性，locked时稳定的超疏水性

IntelligentreversiblyswitchablesurfacedrivenbyDNAnanodevices.OligonucleotideXisthethiolatedstrand5’(SH)-TTTTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-(Bodipy493/503)-3’;thehydrophobicgroupBodipy493/503(greencircle)actsasthefunctionalpartandthei-motifstructurefunctionsasananodevice.ThecomplementarystrandY(5’-GTTAGTGTTAGTGTTAG-3’)isanonthiolatedstrandforformingduplexstructures.AtlowpH,theDNAadoptsani-motifconformation(stateI).RaisingthepHdestabilizesthei-motiftoproduceastretchedsingle-strandedstate(stateII)oraduplexstructure(stateIII,whenacomplementarystrandispresent).LoweringthepHinducesareverseconversionprocessfromstateIIorIIItostateI.天然蛋白生物材料，是一种由不同氨基酸单元(主要为丙氨酸和甘氨酸单元)组成的链段共聚物一、天然蜘蛛丝：“生物钢”3天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料

天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域,即无定形区和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。结构决定性能视频蜘蛛丝将一种侧链带叔胺基团水溶性聚氨酯和聚丙烯酸溶液在玻璃片上通过自组装形成双分子层膜,然后层层叠压,制备出具有从纳米到微米尺度范围多层次结构的聚氨酯/聚丙烯酸(PU/PAA)纳米复合材料.所制备的复合材料具有单一组分3倍的强度和韧性.(A)ExperimentalprocedureforconsolidationofPU/PAAfilms:(1)thefilmsareallowedtoswellinwater,(2)anynumberoffilmsarestackedtogetherintoasandwichstructuretoachieveconformaloverlap,(3)thestackisdriedat100℃undervacuumtoremoveanybubbles,(4)thedriedstackishotpressed,(5)finalconsolidatedstackisremovedfromthepress;(B)photographof100-bilayerPU/PAAfilmbeforeswelling;(C)photographof100×100bilayerfilmscombinedintoastackafterswellinganddrying;(D)photographofafinalhot-pressedstackfrom(C).二、蚕丝：“纤维皇后”

蚕丝由20多种氨基酸组成,结构复杂,内层为丝素蛋白,外层被丝胶蛋白包覆。

蚕丝优异的力学性能：沿纤维轴向既有较高的刚性和强度，又有较大的伸长率（达35%)。4北极熊的皮毛的秘密以及蜘蛛的防水防尘视频1北极熊皮毛的秘密

视频2蜘蛛的防水防尘811.塑料涂层(学习对象：鲨鱼)细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事，无论医生和护士洗手的频率有多高，他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上，尽管不是故意的。事实上，美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是，鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁——长达一亿多年。如今，正是由于鲨鱼这一特性，细菌感染可能会重蹈恐龙的覆辙——从地球上彻底消失。与其他大型海洋动物不同，鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼·布伦南(TonyBrennan)带来了无穷灵感，在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后，他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后，他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲，就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地，而这样一来，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。

一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣，开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。今天，该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层，目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验，比如开关、监控器和把手。迄今为止，这种技术看上去确实可以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标：下一步是开发一种可以消除另一个常见感染源——尿液管——的塑料涂层。822.音波手杖(学习对象：蝙蝠)这听上去就像一个糟糕玩笑的开头：一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而，这种事情确实发生在英国利兹大学，几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖(Ultracane)的问世：这是一种盲人用的手杖，在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术，而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波脉冲，并等待它们返回。当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时，这表明附近有物体，引起手杖产生震动。利用这种技术，音波手杖不仅可以“看到”地面物体，如垃圾桶和消防栓，还能感受到头顶的事物，比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音，使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象，但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术，开发出适销对路的产品。833.风扇叶片(学习对象：驼背鲸)美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克·费什(FrankFish)教授表示，他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到，驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起，它们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是，根据流体力学原则，这些隆起应该会是鳍的累赘，但现实中却帮助鲸鱼游动自如。于是，费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞，看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得状肢更符合空气动力学原理。费什发现，它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成鳍不同部分，就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”(tubercleeffect)，不仅能用于各种水下航行器，还应用于风机的叶片和机翼。

根据这项研究，费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片，令其空气动力学效率比标准设计提升20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片，不久将开始申请使用其节能技术，用以改善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为，在风力涡轮机的叶片增加一些隆起，将使风力发电产业发生革命性变革，令风力的价值比以前任何时候都重要。84无叶片的风扇854.在水面行走的机器人(学习对象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被称为是“耶稣蜥蜴”(JesusChristlizard)，这种称呼还是有一定道理的，因为它能在水上走。很多昆虫具有类似本领，但它们一般身轻如燕，不会打破水面张力的平衡。体形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因为它能以合适的角度摆动两条腿，令身体向上挺、向前冲。2003年，卡内基梅隆大学的机器人技术教授梅廷·斯蒂(MetinSitti)正从事这方面的教学工作，重点是研究自然界存在的机械力学。当他在课堂以蛇怪蜥蜴作为奇特的生物力学案例时，他深受启发，决定尝试制造一个具有相同本领的机器人。

这是一项费时费力的工作。发动机的重量不仅要足够的轻，腿部还必须一次次地与水面保持完美接触。经过几个月的努力，斯蒂和他的学生终于造出第一个能在水面行走的机器人。尽管如此，斯蒂的设计仍有待进一步完善。这个机械装置偶尔会翻滚，沉入水中。在他克服了重重障碍以后，一种能在陆地和水面奔跑的机器人便可能见到光明的未来。我们或许可以用它去监测水库中的水质，甚至在洪水期间帮助营救灾民。865.太阳能电池板(学习对象