生物材料力学与仿生学

本书是“生命工程生物力学系列”之一。经过数亿年的物竞天择，地球上呈现了具有精巧的多尺度分级结构、优异综合性能、高效生物学功能的天然生物材料，据此形成了由动物、植物和微生物组成的绚丽多彩的生态系统。深入研究天然生物材料的“成分－结构－性质－功能”四者之间的有机联系，可明晰诸多自然界的奇妙现象，并为新颖人工材料与结构提供仿生参考，其中生物力学在此研究中具有重要的引领作用。基于此，本书将总结介绍近十年来我国主要科研院所在生物材料力学与仿生学领域研究中取得的新成果和新进展，体现了我国生物材料力学与仿生学领域研究的特色和水平。

 

1 绪论
1.1 生物材料
1.1.1 生物材料的特点
1.1.2 生物材料的分类
1.2 生物材料力学
1.2.1 生物材料力学的定义
1.2.2 生物材料力学的发展历史
1.3 生物材料力学的研究内容
1.3.1 生物材料多尺度力学
1.3.2 生物材料表界面力学
1.3.3 运动生物力学
1.4 仿生力学
1.5 发展展望
1.6 本书内容简介
参考文献
2 生物复合材料断裂力学
2.1 生物复合材料概述
2.2 拉伸-剪切链模型
2.3 纳米尺度的断裂行为
2.3.1 纳米条带的断裂强度和缺陷不敏感行为
2.3.2 纳米薄板的缺陷不敏感行为
2.3.3 含中心或双边裂纹纳米条带的缺陷不敏感行为
2.4 矿物质晶体长细比的影响
2.5 珍珠母断裂的桥联模型
2.5.1 桥联模型
2.5.2 矿物质桥联的增韧效果
2.6 蛋白质基质的作用
2.7 蛋白质.矿物质界面
2.7.1 蛋白质与矿物质界面强度研究
2.7.2 界面裂纹萌生的模拟研究
2.8 多级结构的作用
2.8.1 自相似多级结构模型
2.8.2 多级结构的断裂损伤模型
2.9 新型仿生纳米复合材料
2.10 总结及展望
参考文献
3 生物多梯度浸润性界面与仿生
3.1 两种基本梯度-形状梯度以及表面能梯度
3.1.1 形状梯度
3.1.2 表面能梯度
3.2 生物表面的梯度特征与功能
3.2.1 润湿蜘蛛丝的方向集水性
3.2.2 超疏水蝴蝶翅膀的方向性黏附
3.2.3 微液在荷叶表面动态悬浮和微纳米结构润湿性梯度
3.2.4 荷叶叶缘限流
3.2.5 沙漠甲虫取水
3.2.6 水黾腿的疏水结构
3.2.7 水鸟啄食的毛细棘轮效应
3.3 典型梯度表面的可控制备
3.3.1 倾斜几何梯度表面的制备
3.3.2 曲率粗糙梯度纤维的制备
3.3.3 图案化梯度表面的制备
3.3.4 多尺度超疏水表面的制备
3.3.5 超顺磁阶梯疏水表面的制备
3.3.6 非对称的纳米结构表面的制备
3.4 小结
参考文献
4 蜂窝力学
4.1 天然蜂窝的宏观结构及形成机制
4.2 天然蜂窝的多级微观结构
4.3 天然蜂窝材料和结构的多尺度力学特性
4.3.1 蜂蜡和蜜蜂丝的力学性能
4.3.2 蜂窝孔壁等效力学性能
4.3.3 蜂窝整体剪切性能
4.3.4 蜜蜂丝力学性能
4.4 天然蜂窝结构力学性能理论计算及有限元分析
4.4.1 天然蜂窝结构变形和温度影响的有限元分析
4.4.2 不同温度下天然蜂窝等效力学性能的理论分析
4.5 天然蜂窝的新型仿生设计
4.6 结语
参考文献
5 生物微针与仿生
5.1 人造微针概述
5.2 人造微针相关力学问题研究
5.2.1 微针刺入皮肤过程的力学行为研究
5.2.2 微针输药效率及疼痛方面的研究
5.3 生物微针研究进展
5.3.1 蚊子口针
5.3.2 蜜蜂和胡蜂的尾针
5.3.3 毛虫刚毛
5.4 仿生微纳锯齿针／刀
5.5 结束语
参考文献
6 蜻蜓翅膀的结构与仿生
6.1 蜻蜒翅膀的基本形貌
6.2 蜻蜓翅膀的微观结构
6.2.1 实验仪器和方法
6.2.2 实验结果分析
6.3 蜻蜓翅膀上的血液循环
6.3.1 昆虫翅膀上血液循环概述
6.3.2 血液对蜻蜓翅膀惯性性质的影响
6.3.3 血液循环与蜻蜓翅膀的扭转
6.3.4 小结
6.4 结语
参考文献
7 壁虎黏附力学与仿生
7.1 壁虎黏附的微观力学机制
7.1.1 单根刚毛的黏附行为
7.1.2 多级结构的黏附行为
7.2 壁虎微观黏附机制的主要影响因素
7.2.1 基底粗糙度的影响
7.2.2 环境相对湿度的影响及壁虎在水环境中的黏附行为
7.2.3 预应力的影响
7.2.4 黏弹性的影响
7.2.5 纤维末端形状的影响
7.3 仿生设计及应用
7.4 结语
参考文献
8 壁虎运动力学与仿生
8.1 动物运动反力和运动行为的测试
8.1.1 测试系统的组成
8.1.2 力测试阵列（FMA）测得的三维运动反力
8.1.3 力测试平台（FMP）测得的三维运动反力
8.1.4 两种装置测得运动反力的比较
8.2 壁虎在倒置面、竖直面和水平面的运动反力模式
8.2.1 典型表面运动的力学数据处理
8.2.2 典型表面的运动反力
8.2.3 力学模型与分析
8.2.4 运动反力的新表达方法
8.3 对仿生壁虎机器人设计的启示
参考文献
9 昆虫弹跳力学
9.1 飞蝗半月结构的微观结构研究
9.2 飞蝗半月结构的力学性能研究
9.3 飞蝗半月结构的成分研究
9.4 飞蝗半月结构储能机制的有限元模拟研究
9.4.1 飞蝗半月结构有限元模型的建立
9.4.2 结果及讨论
9.5 总结
参考文献
10 啄木鸟头部抗震机制
10.1 国内外关于啄木鸟抗震机制的研究现状
10.2 啄木鸟抗冲击性机理研究
10.2.1 啄木鸟的头部解剖学观察
10.2.2 啄木乌头部运动学和动力学分析
10.2.3 颅部及喙部结构的材料学特征分析
10.2.4 啄木乌头部有限元分析
10.3 啄木鸟抗冲击性机制应用
10.4 结论
参考文献
11 生物表面微流动与仿生制造
11.1 生物表面液体搬运行为超湿滑表面
11.1.1 猪笼草口缘结构与功能表征
11.1.2 仿生微流动超湿滑表面面构设计
11.1.3 仿生超湿滑仿生表面制造
11.1.4 仿生超湿滑表面的应用
11.2 生物表面微流动摩擦行为表征
11.2.1 树蛙脚掌表面及摩擦行为表征
11.2.2 仿生微流动摩擦面构设计
11.2.3 仿生摩擦面构仿生生物制造
11.2.4 仿生微流动摩擦表面的应用
参考文献
索引