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仿生高分子材料摘要：概述了仿生材料的操作模式和有关理论，仿生材料和仿生技术的应用，认为21世纪仿生材料科学技术与生物技术、信息技术和能源技术一样会成为现代社会新兴和重要的技术类型。“仿生”一词来源于拉丁字“bios”(生命方式)，仿生技术的基础是模仿，模仿生物系统的构造及工作原理。研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将研究结果应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等科学。仿生技术是将生物系统的优异能力及产生的功能原理和作用机理作为生物模型进行系统研究，再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生材料和技术的出现极人地丰富了人的思维想象能力，拓宽了思维视野，借助于生物界的一些结构、运动形式和规律等，为发现或发明新的事物、创立新的理论提供了科学的依据。随着现代科技的迅猛发展，仿生技术和仿生材料的应用和发展也日益广泛，在纺织、建筑、医学和军事上有着重要的用途。1仿生技术操作模式和有关理论1.1操作模式仿生技术是将生物系统结构、功能、能量转换和信息传递等各种优异特性运用到技术系统，以改善已有的工程设备，并创造出新工艺、自动化装置、特种技术元件等技术系统的过程及结果，如图1（1）所示：图1仿生技术的操作模式A根据科学研究和生产实践中提出的技术问题，选择性地研究生物体的某些结构与功能的关系或能量转换、信息传递的关系，将研究所得的资料简化，吸取对技术要求有益的内容，得到一个生物模型，又称生物原型。B将生物模型提供的资料进行数学分析，使内在联系抽象化，把生物原型翻译成数学模型。如所建立的数学模型不当，可返回生物原型重新推敲和抽象。C根据数学模型，采用电子的、化学的或机械的手段，制造出可在工程上进行实验的实物模型。经过反复实验(必要时可退至生物模型再进行前述环节的操作)、改进或发展成各种技术模型，最终实现对生物系统的工程模拟。在实际的仿生操作中，有时只需要进行上述一般操作过程的部分步骤。1.2个体仿生技术和生态仿生技术1.2．1个体仿生技术个体仿生技术侧重于对生物个体功能组织结构的研究和模仿，以获取结构合理、功能优化、节能降耗的设备和产品，同时能拓展人类的生存、生活空间和能力。个体仿生技术就是传统意义上的仿生学。目前，个体仿生技术已从传统的生物机械原理仿生、生物感觉器官仿生深入到生物的化学原理仿生。1.2.2生态伤生技术仿生技术的第2个层面是生态仿生技术。生态仿生技术通过对自然生态系统的研究，使人类在对物理元素、化学元素和能量元素的使用上达到清洁、高效、循环的理想境界，以求人类的持续发展。生态仿生技术要求在技术创造、实施和技术结果的全过程中效仿自然生态系统的基本法则，即高效低耗、无污染及材料可回收循环使用，并且技术本身的使用不违背生态演化的规则。2.仿生材料和技术的应用2.1仿生材料在纺织上的应用2.1.1仿生染色仿生染色，是指充分认识生物色素的特性，即生态性、功能性和相容性，使这些特性可以存在常规的染色加工。自然界物种多种多样，色彩缤纷，有绚丽多姿的花朵，也有五颜六色的动物。在生活中，最常见的生物颜色就是植物中的绿色，它是由叶绿体产生的。除叶绿体的色素外，其它许多天然色素如广泛存在于许多植物的叶、攀和果实中的类胡萝卜索；海带等藻类含有少量岩藻黄素，它可和蛋白质结合在一起呈红色，和叶绿素混合在一起成褐色，在热水中煮沸，岩黄素和蛋白质分离，红色消失，剩下绿色。在动物中的色素也是和蛋白质等其它组成紧密结合在一起的，是生物体的组成之一。例如动物中的黑色素，它含有吲哚等结构，并直接和蛋白质的肽链连接在一起，是生物组织的一部分；生肉的红色是血红蛋白的颜色。另一类生物色素是荧光生物色素，最知名的是荧火虫的荧光素。一些细菌也可产生荧光，它们的细菌荧光素在细菌荧光素酶的催化作用下，发生一系列的氧化还原反应，并发出荧光。人类很早就会提取天然色素来进行染色和印花，特别是从生物(植物和动物)中提取色素来染色。印花布图案设计方面，仿形、仿色较为普遍，各种动物图案、植物图案和自然风景图案比比皆是，是仿生与技术美学完美的结合。在色彩上，阳光、丛林、海滨、宝石等火自然色调到处可见，都是仿生在服装色彩上成功的应用，仿真的程度惟妙惟肖，深受人们的喜爱。生物中的色素是生物体的重要组成部分之一，它是生物长期进化，通过生化过程形成的，是地球生态链中不可缺少的成员。它们不会危害生物和地球环境。了解其色素特点，模仿生物中的色素结构、分布和功能，进行仿生染色，将是一种新的生态染色途径。2.1.2变色龙与变色纤维变色龙是一种会随环境变化而改变自身颜色的动物。将这种变色的原理加以系统分析研究以后，人们开发出了多种变色材料。其变色类型涉及到受光、热、液体、压力、电子射线等的作用而产生显色、消色或变色。当外部刺激源为光时称光敏变色，外部刺激源为热时称热敏变色。与此类似的还有湿敏变色、压敏变色、光电变色等。目前，在纺织纤维领域内，已经成功开发的包括感光或感温的可逆变色和湿敏变色的视觉纤维，受到消费者的喜爱。光色现象的产生是因为光可以使某些化合物发生光裂解反应，导致能量状态发生变化，化合物分子分解成离子或游离基，或发生氧化还原反应。2.1.3蜘蛛丝蜘蛛丝蛋白的主要成分为氨基酸，如图（2）。蜘蛛丝具有很高的强度和韧性，综合性质最好，研究表明，牵引丝的强度明显高于蚕丝、橡胶、合成纤维，与钢筋束的强度相近。伸长与蚕丝及合成纤维相似，高于钢筋、棉和凯夫拉，因而弹性好，当伸长至断裂伸长率的70％时，弹性恢复率仍可高达80%-90%，尤其断裂能最大。它是世界上强韧性最好，而质地最轻的材料之一。蜘蛛丝的机械性质受温度、含水量等的影响。干丝较脆，当拉伸超过其长度30%时就断裂，而湿丝则有很好的断裂伸长。图2蜘蛛丝蛋白的片层状顺式β－折叠结构蜘蛛的“纺丝”在常温常压下进行，以水作为溶剂，对环境无污染。但是，丝纤维形成的复杂过程暂时还无法人为模仿。近年来国内外对上述问题已进行了一些探索性的研究，但蜘蛛丝的仿生纺丝技术问题尚未真正解决。日本的Kiyoichimatsumoto（2）等用乙醇/溴化锂/水混合物为溶剂，以甲醇为凝固剂，对再生蚕丝素的纺丝性能进行了综合研究，但所得丝纤维的性能也达不到蚕丝本身的性能。近年来美国陆军生物化学部首次用水作溶剂，对蜘蛛丝蛋白质进行了纺丝探索，其探索过程类似于现在的湿法纺丝，与蜘蛛纺丝过程完全不同，而且得到的丝极少，强度也只有2.2g/d（蜘蛛丝约为7-11g/d），为此还需对纺丝过程进行进一步的研究。2.2仿生机器人仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统。图3机器人的发展阶段及其典型代表图3（3）所示为机器人的发展阶段及其典型代表，机器人就分为第零代原始机器人,第一代示教(工业)机器人、第二代感知(遥控)机器人、第三代智能机器人和第四代仿生机器人。可以看出，仿生机器人是机器人发展的最高阶段,它既是机器人研究的最初目的,也是机器人发展的最终目标之一。2..2.1仿生机器人分类A.飞行机器人飞行机器人是具有自主导航能力的无人驾驶飞行器,这类机器人活动空间广阔、运动速度快,居高临下不受地形限制（图4）。在军事、森林火灾以及灾难搜救中,前景极好。其飞行原理分为:固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。图4机器苍蝇和机器黄蜂B仿生爬行机器人机器人的移动方式有轮、腿、履带和无肢运动等.蛇形机器人的运动方式是典型的无肢运动。图5所示为仿生机器蛇和机器甲虫。图5机器蛇和机器甲虫2..2.2仿生机器人的未来发展方向A特种仿生机器人自然界各种生物千姿百态,根据各种生物各自的特点,研制出更多种类的能适应特定自然环境的特种仿生机器人,是未来仿生机器人进一步的发展方向。例如,能够在管道内蠕动的机器蚯蚓即是基于仿生学原理设计的管道机器人。B仿生机器人的微型化仿生机器人的微型化的关键是实现机电系统的微型化。将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上,构成微机电系统。目前,由微机电系统制成的部分微型仿生机器人已经由实验室研究进入实际应用阶段。C仿生机器人的仿形仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性,也是仿生机器人研究的热点之一。在军事侦察和间谍任务中,应用与生物外形完全一致的机器人,将能更隐蔽地、更安全地完成任务。D生物机器人生物机器人即活体生物的人工控制,是生物学、信息学、测控技术、微机电系统术高度发展并且相互结合的产物。2.3蚕丝与医用新材料（4）蚕丝具有优良的柔韧性、吸湿性、透气性，对人体细胞具有良好的亲和性。而且可制成各种目的形状。随着生物化学和分子生物学向生命科学各领域的广泛渗透，蚕丝研究也逐渐向分子水平发展，由此产生了蚕丝作生物医学材料的新研究领域。蚕丝蛋白合成人造皮肤，可用于医疗领域。人的皮肤由表皮层和真皮层构成，表皮层在外层，真皮层在内层，当真皮层被破坏后，皮肤不会再生，这时需要进行皮肤移植，除了患者本人，移植来的皮肤一般极难主长愈合。因此，现在人工皮肤的开发研究也仅能用来治疗真皮尚存的情况。另外，蚕丝还可以用做人工肌腱与韧带方面的研究。在丝素蛋白中导入带电化合物后，可加速其与钙、磷酸团的凝集，进一步将带有负电荷的羧磷灰石结晶中的基因紧密凝聚。其钙的凝集量比无处理的丝素蛋白有大幅度的增加，特别是导入磷酸基的丝素蛋白中，钙的凝聚量比未处理的丝素蛋白高过l0倍以上。因此，可望用于开发人工肌腱与人工韧带，而蚕丝作为主要的医用缝合线亦有一定的缺点。2.4仿生技术在计算机上的应用计算机模型本身就是对人类大脑的模拟。当前计算机在仿生原理的运用上表现为功能模拟更加探入的同时向结构仿生扩展，这样，当前计算机的发展在元器件、原理与功能上都异于1～4代计算机，呈现将个体仿生与生态仿生结合的趋势。2.4.1人工智能计算机人工智能计算机突破传统计算机对人脑功能的简单模拟，而向人脑学习、逻辑思维判断等高级功能模拟发展。人工智能计算机在继续追求高运算速度和大存储容量的基础上，进一步适应逻辑思维的知识处理，具有判断、联想、学习等功能。在开始阶段，智能机仍然要靠人编软件，去教会它完成数据以外的逻辑思维。随着进一步发展，智能机要能够“学习”自制软件，自己增强逻辑思维能力。目前人工智能机的研制已取得初步成功。1991年，日本研制出自然语言识别机；世界上第一个手写体识别系统在1989年由博兰公司开发成功；IBM的样机还能识别出人的手势，跟踪眼睛的动作。2.4.2人工神经网络计算机人工神经网络计算机是人类模拟人脑结构而研制的新一代计算机。人工神经网络计算机通过模拟人脑构造的机制，靠人工神经元的动态互联构建自己的结构，形成自己的工作程序和方式，这种工作方式更接近人的右脑，可以进行“形象思维”。人工神经元的动态互联是建立在学习、适应的基础上，依靠神经元之间的互联和在此基础上形成激活，形成算法，形成数据结构(准确地说是信息结构)，甚至积累它自己可以理解和应用的知识。这种计算机将克服现有计算机的许多缺点，如对人的依赖性、软件危机等。这对于电脑独立工作和担负重大工作，具有极其重要的意义。2.4.3生物计算机生物计算机是指用遗传工程的方法，以超功能的生物化学反应模拟人体的机能，完成大量复杂信息的存储和处理的计算机。生物计算机研制重点为①以有机分子取代半导体制造元件，构成“分子计算机”。②以蛋白质分子为光存储器件，制造计算机。该计算机不仅功能先进，而且在结构上也更接近人脑。2.5仿生陶瓷材料设计陶瓷材料的脆性和增韧一直是研究的热点问题之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一，现在人们提出长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，但是这些措施很有限，没有从本质上解决陶瓷