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备课资料

大自然的启示:仿生学可以走多远?(一)

录入者:15959541500  人气指数: 次  发布时间:2021年04月24日

  出品:新浪科技《科学大家》、中关村论坛

  撰写:傅正义 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室主任

  2000年悉尼奥运会上,澳大利亚男子游泳选手伊恩·索普身着黑色连体泳衣,连夺三金,一战成名。这次奥运会不仅让伊恩·索普成为澳大利亚最有名的运动员之一,还让他的战袍——鲨鱼皮泳衣名震泳坛。

  这件泳衣叫做“快皮”,核心急速便是是仿造鲨鱼皮肤表面制成的超伸展纤维表面,其设计也有着仿生学巧思,比如在接缝处模仿人类的肌腱构造。有实验表明,快皮的纤维可以减少3% 的水中阻力。此后,在2007年鲨鱼皮泳衣第三代产品一经推出,就在一年内协助世界各国运动员先后21次打破世界纪录。

鲨鱼皮三代的材料结构鲨鱼皮三代的材料结构

  鲨鱼皮泳衣只是仿生学领域的著名应用之一。仿生学还在很多领域发挥着巨大作用,例如现代飞行器的发展就遵循了鸟类飞行规律,它的机翼曲线模仿了鸟类翅膀的流线型外形,以降低空气动力阻力。还有通过模仿蝙蝠的超声波探路系统,现代飞行器采用的雷达导航系统作,飞行器表面帮助降低摩空气擦阻力、减小紫外线照射损害的涂层等等。

  受到大自然的启示,人类已经实现了许多伟大的仿生工程,很多与普通人生产生活息息相关的产品或技术。这些仿生学的成功应用都是依据自然对人类的启示,设计出具有既精巧又复杂形状和功能的材料、设施、产品、技术等。

  仿生材料是近二十多年的研究热点,包括荷叶的疏水性表面,坚硬的贝壳,通过折射产生不同色彩的蝴蝶翅膀等,研究人员都已经成功地在实验室中学习这些功能做了人工材料。简言之,通过研究某种自然的结构和特性制造出的具有性能的微结构材料,就是我们所说的仿生材料。

  向自然学习

  其实这些仿生材料都有一个共同点,那就是它们都在自然界中有个一模一样的生物制造过程。研究人员们在自然界中寻找特别有趣的功能,再在实验室做出来具有相同特性的人造产品。贝壳的显微结构就是这样一个典型的例子,科学家在实验室里做出的高韧性陶瓷复合材料跟它非常像的结构,这样通过不同形状、大小、排列方式形成的结构具有非常好的力学性能,断裂韧性达到30,而普通的陶瓷断裂韧性只有5、到10左右。

  在中国,科学家此前做了一个有意思的研究——蜘蛛丝。一些人可能注意到,下完雨后蜘蛛丝挂的雨滴会像珍珠项链一样形成“挂珠”,这是因为自然的蜘蛛丝里有纺锤结构,有连接段,水拉到连接段后很快跑到纺锤,就会变成像项链一样的挂珠。连接段和纺锤结构不一样,因此,水在不同地方的状态也是不一样的。

  在实验室里也可以做出这样的结构,做出一摸一样的人工蜘蛛丝。人工蜘蛛丝放入水中后,也是马上从连接的部分跑到纺锤部分,形成挂珠形式;这对水的收集和运输有非常重要的应用价值。