石油工程仿生学应用现状及展望

通过详细介绍仿生学在石油工程领域的发展现状,提出了石油工程仿生学的概念,指出了建立石油工程仿生学的必要性,概括了石油工程仿生学的特点和研究方法,并梳理了其发展趋势。目前,仿生学在钻井、管道、井筒等领域取得了实质性进展。未来石油工程仿生学研究应遵循科学的研究方法,按生物原型阶段、数学模型阶段和工程实现阶段循序渐进地加深研究成果,尽可能避免模仿的复杂性;同时加强在模仿中的创造与创新。石油工程仿生学发展应以生产中的技术需求为根本出发点,以改善现有的或创造崭新的技术系统为目的,有层次、分阶段地开展应用研究,在功能材料、表面性能、信息获取与处理、工程实现等方面为关键技术问题的突破提供创新性解决方案和技术手段,经知识积累、成果转化和工业化应用3个阶段,逐渐形成涵盖勘探、开发、工程的仿生技术体系。

骨组织工程中传统与仿生支架结构设计的差异

背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中国知网(CNKI)、维普、万方、Web of Science、Science Direct、PubMed、EI等数据库,选取2008年1月至2024年3月发表的文献,中文检索词为“骨组织工程,仿生支架,骨小梁,传统支架,骨修复,三周期极小曲面”,英文检索词为“bone tissue engineering,bionic scaffolds,bone trabeculae,traditional scaffolds,bone repair,TPMS”。最终纳入81篇文献进行综述。结果与结论:骨支架的结构设计是实现骨修复和骨再生的关键,骨组织工程中的支架技术已取得显著进展。传统的规则多孔支架因简单的制造流程和良好的机械性能被广泛应用,然而这类支架往往缺乏生物活性,难以模拟自然骨组织的复杂微环境,限制了其在促进细胞增殖和骨再生方面的能力。相反,仿生支架通过模拟自然骨组织的结构特征,提供了更适宜的生理微环境,促进了成骨细胞的增殖、分化及新骨的形成,为骨缺损有效治疗提供了新的思路。尽管仿生支架在理论上具有巨大的潜力,但在实际应用中仍面临诸多挑战,支架的生物相容性、生物活性及长期稳定性等因素仍需通过临床试验进行进一步验证。

静电纺丝聚偏氟乙烯压电仿生骨膜的生物相容性评价

背景:课题组前期研究发现,静电纺丝聚偏氟乙烯仿生骨膜具有良好的细胞相容性,但其生物相容性尚不清楚。目的:评价掺Zn2+、Mg2+聚偏氟乙烯仿生骨膜的生物相容性。方法:取前期研究采用静电纺丝技术制备的聚偏氟乙烯、掺1%Zn2+聚偏氟乙烯、掺1%Mg2+聚偏氟乙烯、掺1%Zn2++1%Mg2+聚偏氟乙烯仿生骨膜,制备各组仿生骨膜浸提液,选择SD大鼠为实验对象,进行溶血实验、短期全身毒性实验、热源实验,选择豚鼠为实验对象,进行皮肤致敏实验,检测4组仿生骨膜的生物相容性。结果与结论:①溶血实验结果显示,掺1%Zn2+聚偏氟乙烯、掺1%Mg2+聚偏氟乙烯、掺1%Zn2++1%Mg2+聚偏氟乙烯仿生骨膜及聚偏氟乙烯浸提液的溶血率分别为(0.130±0.013)%,(0.149±0.020)%,(0.466±0.018)%,(0.037±0.018)%,符合生物材料血液相容性性标准;②短期全身毒性实验结果显示,4组仿生骨膜浸提液灌胃干预后未引起SD大鼠体质量减轻、摄食量变化及呼吸困难等毒性体征,对大鼠的主要脏器无毒性作用;③热源实验结果显示,掺1%Zn2+聚偏氟乙烯、掺1%Mg2+聚偏氟乙烯、掺1%Zn2++1%Mg2+聚偏氟乙烯及聚偏氟乙烯仿生骨膜浸提液干预后,SD大鼠体温升高值分别为(0.133±0.058),(0.100±0.010),(0.300±0.010),(0.300±0.017)℃,均小于0.6℃,体温升高度数总和均小于1.4℃;④皮肤致敏实验结果显示,4组仿生骨膜浸提液干预后豚鼠皮下未见红斑与水肿。结果表明:聚偏氟乙烯与掺Zn2+、Mg2+聚偏氟乙烯仿生骨膜具有良好的生物相容性。

机器人仿生学研究综述

机器人仿生学是从仿生的角度对机器人进行研究 ,是机器人领域的重要分支 .本文从结构仿生 ,材料仿生 ,功能仿生 ,控制仿生 ,群体仿生五个方面 ,归纳和评述了国内外机器人仿生学的研究现状、特点、主要成果以及发展趋势 .

仿生再矿化治疗在牙釉质早期脱矿的作用及机制

背景:随着饮食改善和生活水平提高,酸性饮食和正畸治疗等成为导致牙釉质表面脱矿的主要原因。作为牙齿龋坏的第一步,牙釉质脱矿应被积极干预,机械磨除损伤较大且不符合微创医学理念,仿生再矿化是目前应对牙釉质脱矿的最佳方式。目的:通过对牙釉质早期脱矿的仿生再矿化治疗机制、应用方式及研究进展进行综述,为进一步攻克仿生再矿化热点难题提供思路。方法:以“Enamel demineralization,Biomimetic remineralization,amelogenin,Amorphous calcium phosphate”等作为英文关键词在PubMed数据库检索,以“釉质脱矿,仿生再矿化,釉原蛋白”等关键词在中国知网数据库进行检索,通过筛选最终共得到72篇文献进行综述分析。结果与结论:①目前针对釉质脱矿有药物治疗如含氟制剂等、激光治疗、树脂渗透、再矿化治疗等治疗方式,仿生再矿化是目前牙釉质早期脱矿最理想的修复方式。②狭义的釉质再矿化指早期釉质脱矿后内部的矿物质再沉积,广义的釉质再矿化包括釉质表面和内部两方面的矿化沉积。③临床仿生再矿化试剂多以釉原蛋白、非釉原蛋白、釉原蛋白肽、酪蛋白磷酸肽-不定形磷酸钙复合物等为主要成分。蛋白及肽类材料优势在于符合生理机制,可通过诱导定向生成高强度再矿化材料,劣势在于制作工艺相对复杂,成本较高;不定形磷酸钙复合物再矿化效果好,但需与其他材料结合使用以发挥作用;其他磷酸钙材料便于携带、有利美观,但易导致牙石形成。④未来研究应着重于以下几个方面:增加随机对照试验数据和临床结果,明确各个方式的适应证;发掘更多仿生再矿化方法,寻找合适替代材料;寻找合理的材料结合方式,以使其优缺点互补;加强临床应用便携性,以增加日常使用频率,使短期实验结论获得长期临床数据支持。

仿生土木工程研究进展与展望

随着城镇化水平不断提升,中国每年新增建筑面积约20亿m2,大规模基础设施建设对土木工程理论和技术创新的要求越来越高。学者们通过研究自然界的增强增韧、水下黏合、钻孔掘进和轻质高强等现象发现,生物体具有独特的外部形态和组织结构,通过模仿生物体的外部形态、结构特征或运动机理可为土木工程技术创新和可持续发展提供新思路、新原理和新理论。从仿生材料、仿生结构和仿生机械与构筑物3个方面阐述仿生学在土木工程中的应用,列举典型的应用案例,并对仿生土木工程进行总结和展望,为未来的研究提供基础材料。作为新兴的研究方向,仿生土木工程基础理论尚不完善,仿生土木工程涉及生物、材料、结构等多学科的交叉,需要开展不同领域间的协同合作研究。

基于仿生机构学落地红枣聚拢装置的设计与试验

针对南疆地区目前落地红枣无法聚集、人工捡拾效率低、机械化程度不高等问题,在分析枣树种植模式及红枣物料特性的基础上,采用仿人手臂聚集红枣的方法设计了一种快速聚拢装置,并确定了各零部件的结构参数。利用三维建模软件SolidWorks与运动学仿真软件ADAMS,对聚拢装置进行了建模与运动学仿真,结果表明:红枣在聚集过程中,接触的速度都是从小到大再到小,没有急剧的突变现象,对红枣的损害程度较小,符合设计工作要求。以红枣聚集率为响应指标,以前进速度、曲柄转速、滚筒转速为影响因素,设计了正交组合试验,建立了各因素对聚集率指标二次多项式回归模型,并分析了各因素对聚集率的影响规律。通过多重响应方法中的主目标函数法对其参数进行了优化,获得了影响红枣聚集率的最佳参数,即前进速度为0.37 m/s、曲柄转速为58 r/min、滚筒转速为32 r/min,此时红枣聚集率为88.65%。研究结果可为后续落地红枣聚拢装置的改进和研发提供参考。

基于LED发光技术的仿生服装设计

仿生服装设计的灵感源于自然,具有环保与贴近自然的属性,为结合LED发光技术与仿生服装设计,拓展仿生服装的设计方式,文章从LED发光材料入手,分析其特点以及在仿生服装中运用的优势,然后对仿生服装的概念及应用进行归纳,从形态仿生、色彩仿生和功能仿生3个方面分析仿生服装的设计方法。通过前期研究,最终设计一款基于LED发光技术的仿生服装,为设计开发具有环保理念的仿生服装提供一些新的设计思路。

浅谈仿生学研究及其在农机上的应用

仿生学在农业、航空航天、能源等诸多领域有着广泛的应用,本文结合仿生学研究发展现状,着重探讨仿生技术在农业机械方面的应用,包括结构仿生、功能仿生、材料仿生等,并对仿生技术在农机方面的应用进行展望,以期为仿生学与农业机械的深度融合提供一种新的方向和思路。

基于天然骨仿生的骨组织工程设计综述

骨组织工程可以在骨缺损治疗前期提供匹配缺损的支架,引导新生骨形成,并提供活性因子、种子细胞等促进骨组织再生,在骨修复中有广泛的应用。良好的骨组织工程设计至关重要。受天然骨组织自身特性的启发,骨组织工程支架与仿生科学之间的联系越来越密切,成分、结构和功能仿生成为制备骨组织工程支架的重要方法。本文根据天然骨组织固有性质,对不同仿生方式,如成分仿生、结构仿生及功能仿生进行简要介绍,并对其在骨组织工程中的应用进行综述,旨在为骨组织工程的设计提供新的思路与方法。

仿生设计手法在服装中的运用

随着人们的环保意识越来越强,服装设计师更关注从大自然来寻找设计灵感。这就产生了仿生设计手法,它是服装设计师对自然界的审美情趣,设计师从大自然中汲取艺术创作的养分,在模仿和感悟中获得艺术创造的灵感。因此,本文将着重探讨仿生设计手法在服装中的具体运用,主要从形态仿生、色彩仿生、结构仿生、材料仿生、功能仿生以及文化仿生等几个方面进行具体探讨,以期能够向人们展示出现代服装设计中的仿生设计手法的巧妙之处,让服装回归自然,从而蕴含了强大的艺术生命力,体现了人类与自然的和谐统一。

复合材料多尺度仿生方法的研究

复合材料仿生方法从仿生尺度上分为宏观、细观和微观仿生,从仿生对象上分为界面仿生和增强相形貌仿生,从研究手段上分为结构机理仿生、分子化学仿生和矿化工艺仿生。对当前复合材料仿生设计与制造方法进行了回顾与分类,并对各种方法的思想起源,适用范围与优缺点等进行了评述。

医用仿生材料的研究进展及其发展趋势

医用仿生材料已成为材料科学与工程学的研究热点。文章在大量调研工作的基础上,回顾和总结了前人在医用仿生材料方面所做的工作,重点综述了用于组织修复与替代的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管的研究进展,并展望了医用仿生材料的发展前景。

农业触土机具仿生减阻抗磨特性研究进展

农业触土机具的减阻抗磨性能与其自身的工作效率和使用寿命密切相关。因此,降低土壤附着力、工作阻力和磨料磨损成为当今触土农具领域迫切需要解决的热点问题。仿生学理论创建以来,借鉴土壤生物独特的几何结构面、几何结构形状和特殊功能设计仿生农业触土机具,制备仿生结构复合涂层,实现从自然生物到人造功能表面仿生减阻抗磨已获得了广泛的关注和发展。从数值模拟、土槽试验和现场试验角度来重点介绍结构仿生、非光滑表面仿生和仿生结构复合涂层3种技术在农业触土机具的性能及其减阻抗磨机理,总结国内外研究进展,介绍仿生原理、特点、制备和研究过程,例举最新的科研成果以及应用效果,针对当前和更深入探索仿生土壤动物减阻抗磨研究提供更新、更全面的参考。最后,对现有农业触土机具仿生研究存在的仿真模拟土壤参数不真实、性能检测方法不完善、减阻抗磨机理分析较少、减阻抗磨综合研究较少等问题进行阐述。为了改善上述提到的机具阻力大和黏附导致的能耗严重,以及磨损较快导致机具失效情况加剧的问题,更好地适应农业触土机械高效、低损耗发展,农业触土机具仿生技术的未来应当从性能综合测试、多种技术多功能交叉仿生、智能仿生等方面发展。同时,采用先进制备技术结合仿生材料制备新型机具,进一步优化性能。

仿生机器人研究进展综述

随着机器人技术和仿生学的发展,仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注。在对仿生机器人进行分类的基础上,从地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人3个方面简要介绍了国内外典型仿生机器人的最新研究进展,并介绍其发展趋势。

仿生学研究现状及其在纺织上的应用

介绍了仿生学的概念、研究方法和仿生原理,重点讨论了仿生技术分类及其在纤维、织物、染色及服饰等纺织领域的应用,同时对仿生技术发展前景进行了展望。

仿生系统动力学与应用专刊序

围绕仿生系统动力学建模、设计理论与方法、非线性振动特征、控制方法等研究主题,本专刊介绍了仿生系统动力学与控制的一些创新性研究和工程应用成果.

谈仿生设计元素在建筑设计中的运用

仿生设计学,亦可称之为设计仿生学(Design Bionics),是模仿生物系统的结构、形体、功能原理来设计新技术系统的科学。"物竞天择适者生存",有形的生物只有在结构、形态、功能等方面达到最优的设计才能流存于世,所以大自然精妙的生物应该是建筑师和设计师的最好老师。

基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

论中国传统家具的“形缘”仿生

中国传统家具是中华传统文化的重要组成部分,其独特的造型风格绵延传承,为世人盛赞。深入研究中国传统家具的形制缘由与造物方法,有利于深入理解中国传统家具的艺术创新的本质与方法,并为现代新中式家具的创新设计提供指导与借鉴。借用设计因缘论的“形缘”视角,从仿生设计方法入手,深入分析了中国传统家具的造型、肌理、功能和结构四个方面的仿生手法。仿生设计不仅极大地丰富了传统家具的艺术表现形式,而且深刻地展现了古人对自然与生活的敬畏和尊重。