适应结构性能的壳体建筑微结构仿生设计

生物体在适应环境的进化过程中形成了高度性能化的形态特质。文章从宇宙形态与微观形态的对比分析入手,提炼不同尺度自然形态对秩序及性能的关联,进而从微结构视角对仿生学进行解析,强调微观结构的高度性能化对建筑结构的重要作用,并描述微结构仿生的螺旋式设计流程。最后,分别以蛛网硅藻、沙元海胆两种自然结构为对象,通过结构性能与形态构成的综合分析以及相应实验壳体展馆的设计分析,具体阐释适应结构性能的微结构仿生设计。

壳体建筑微结构仿生的桁膜复合结构原型研究

自然界广泛存在的桁膜复合结构是结构仿生研究中的重要发现之一,主要表现为在结构性能驱动下的膜结构与桁架结构的杂交。首先,文章介绍自然界中存在的桁膜复合结构形态以及与之相关的研究。进而,从结构性能及构成角度,分析桁膜复合结构原理,及不同先锋建筑师展开的结构原型研究。最后,从性能化装饰的角度,讨论以桁膜结构原型为基础拓展出的结构、机械与美学一体化系统。未来以算法技术、新材料与智能建造技术为支撑的建筑工程中,以桁膜复合结构为仿生原型的壳体建筑研究与工程应用将具有广阔前景。

离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

目的通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻,并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法研究利用仿真模拟的方法,采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征,考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律,通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果在3种微结构形态中,流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中,矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化,而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果,且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻,其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度,使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀,且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度,减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用,将滑动摩擦转换为滚动摩擦,降低摩擦阻力。

高频电手术刀表面激光制备仿生鲨鱼皮微结构的研究

针对高频电刀在对组织切割和止血过程中,存在组织粘附导致无法切割和凝血不充分的现象,提出了在电刀表面加工一种优化的鲨鱼皮微结构来改善其性能,并以新鲜猪肝为切割对象,研究了微结构尺寸参数对电刀摩擦性、液体减阻率、粘附性的影响.实验结果表明:仿生鲨鱼皮微结构能有效降低切割组织过程中的摩擦力与粘附量,该结构最大可以减少21.88%的摩擦阻力,5.4%~16.91%的组织粘附量.

超越尺度:大跨壳体建筑的微结构仿生设计研究

壳体结构在自由曲面与网格布置方面的研究与设计相对成熟,却与新时期下大跨建筑工程向性能化、可持续、交叉创新发展等需求存在鸿沟。针对这一矛盾问题,提出大跨壳体建筑的微结构仿生设计新思路,首先是从复杂性科学与数字化技术两个维度对大跨壳体形态系统进行解读和层级化重构;进而尝试在微结构层级中引入仿生学,从涌现主体、生成逻辑、环境响应3个方面对微结构的仿生设计流程进行建构。最后提出未来壳体建筑发展途径,试图实现微观与宏观的融合和超越。

立体编织构造的仿生微结构及对骨修复的促进作用

本文提出应用立体编织技术和快速成形技术分别制造支架内部结构的负型模具和外形结构的支撑模具,将多种生物材料和生长因子装配制备可降解生物仿生骨支架。设计25mm犬桡骨缺损修复实验,研究材料相同时,构造结构的支架(试验组)和均匀混合材料的支架(对照组)对骨修复的作用。结果显示两种支架均具有良好的生物相容性、骨传导和骨诱导作用。构造结构的支架明显促进新骨形成,材料内外同时降解,并引导新生组织首先在设计管道内成骨。分析认为该方法在复合多种材料时不需要高温烧结,不产热、可塑性极好,不改变材料和生长因子的性质,连通的管道保证了短时间内不同的生物材料对新骨形成作用同时存在,相互促进。

仿生减阻微结构制造技术综述

表面微沟槽等结构能够限制航空器壁面低速区小涡流生成和猝发的相关雷诺应力,从而降低摩擦阻力,而且该方法简单易行、不需额外增加重量,成为航空器减阻的主要途径之一。概述了表面微结构减阻性能尺度效应的研究进展,表明微结构无量纲尺寸在15左右时减阻性能最佳,减阻率为8%左右;着重综述了简单形状微结构、仿生微结构以及大面积微结构等减阻微结构去除、压印以及滚压等制造技术的研究现状,简析了目前仿生减阻微结构制造技术存在的不足;在此基础上,对仿生减阻微结构制造技术的未来发展和应用进行了展望。

石墨烯/PDMS仿生银杏叶微结构柔性压阻式压力传感器

柔性压阻式压力传感器是可穿戴健康监测系统和人机交互设备的重要组成部分。在实际应用中,对具有高灵敏度和宽线性范围的压阻式压力传感器的需求迫切。以石墨烯油墨为功能层、聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性材料,设计并制备了具有仿生银杏叶微结构的柔性压力传感器。利用扫描电子显微镜(SEM)表征了传感器的表面形貌。结果表明,仿生银杏叶表面的微结构包括平行叶脉和各种形状不一的凸起。该传感器具有1.56 kPa-1的高灵敏度和22.6 Pa^20 kPa的宽线性范围,当施加不同的载荷时有明显的台阶现象,并且可以在10000次的循环压力测试下保持稳定良好的性能。传感器的响应时间缩短至80 ms左右。此外,该压阻式压力传感器可用于检测人体关节的运动,表明其在健康监测和电子皮肤中应用潜力巨大。

基于仿生微结构的高性能柔性压力传感器

柔性压阻式压力传感器可用于对人体姿态变化进行准确的检测。设计了一种新型柔性压阻式压力传感器。采用了聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底、石墨烯油墨等材料对传感器进行了制备,阐述了制备的具体过程。然后,针对传感器的表面形貌和性能进行了测试分析,结果显示可以达到较高的检测范围12.8 Pa~25 kPa和灵敏度1.77 kPa^(-1)。另外,响应速率为26 ms;循环压力测试下保持了较高的稳定性,通过对人体腕部以及手指弯曲的检测也验证了其应用的效果。

郁金香花瓣的仿生微结构制备与浸润性研究

利用聚合物PDMS作为制备仿生表面的材料,以郁金香花瓣为模板,原位复制表面微结构,采用接触角测量仪测量了花瓣表面和PDMS仿生表面的接触角。接触角测量结果表明PDMS可以原位复制得到郁金香花瓣表面微结构,原叶和复制表面的接触角区别不大,均在110°以上。扫描电镜(SEM)测量结果表明,郁金香花瓣表面具有周期性条纹结构,结构横向尺寸约为0.5μm,条纹结构周期约为1μm。

股骨假体仿生微结构设计与分析

目前全髋关节假体性能与真实人体骨骼之间存在巨大差异,容易导致术后假体失稳,仿生微结构可有效解决由于应力遮挡引起的假体失稳问题。基于此,设计了新型仿生微结构股骨假体,以仿生结构(六面体立方、面心立方和体心立方单元结构)构建模型,模型之间保持相近的孔隙率(43%),进行有限元仿真模拟压缩试验,分析仿生微结构的变形、屈服应力、弹性模量等。研究发现,结构的等效弹性模量下降到24.0 GPa左右,与人体皮质骨17.0 GPa相近,其中体心立方结构最小,为22.2 GPa。在3种模型中,六面体立方的稳定性、刚度最强;体心立方的位移最大。研究表明,多孔仿生微结构能够降低弹性模量,改善应力遮挡问题,并对骨骼内生长具有促进作用。

基于野燕麦麦芒细胞的仿生自驱动复合材料制备及其吸湿变形分析

本研究以野燕麦麦芒细胞为研究对象,基于其吸湿自驱动行为的内在机理,利用定制的智能水凝胶为基材成功制备出兼具响应速率快、形变尺度大等特性的仿生自驱动复合材料,分析了长度、吸水时间和含水率对其扭转变形的影响,并针对仿生自驱动复合材料的吸湿运动形式和变形结果进行了有限元分析。研究结果表明:仿生复合材料的长度越长,扭转的圈数就越多,但长度过长会使材料吸湿后因承重过大而弯曲倾斜;吸湿平衡后的长度基本为吸水前长度的1.5倍;仿生复合材料轴向应变和扭转角随含水率的增加呈现不断增加的趋势,在整个含水率变化过程中,仿生材料轴向应变及单位长度扭转角的最大值分别为29.99%、0.057 rad/mm;有限元计算结果与实验结果吻合度较好,有效验证了有限元分析方法的可行性及仿生材料吸湿变形结果的可靠性。

具有仿生微结构皮革新材料对细菌的转移抑制研究

目的研究具有仿生微结构皮革新材料对细菌的转移抑制效果。方法采用激光共聚焦显微镜观察法和细菌定量检测方法,对皮革新材料仿生微结构和对细菌转移抑制作用进行研究。结果激光共聚焦显微镜观察显示,皮革表面微结构符合产品设计要求。经含有菌液的滤纸染菌后,金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和白色念珠菌从含有微结构的皮革表面转移至接触碟的菌量与对照组相比,分别减少85. 1%、78. 3%、81. 6%和77. 2%。结论含有仿生微结构的皮革新材料显著抑制不同细菌在已污染表面的转移和传播。

仿生微结构控制表面微生物污染的应用

日常接触表面是病原微生物间接传播的重要载体。在间接传播途径中,常见病原体可通过飞沫或触摸等方式污染物体表面。潜在宿主接触被污染表面时,这些病原微生物可通过破损皮肤或者经手触碰口鼻眼等区域进入人体而引起感染性疾病。

场地短距离骑行服的发展现状及趋势

文章为场地短距离自行车骑行服的功能性优化设计提出基础数据和科学依据,从骑行服的面料、结构设计、压力分布规律等3个方面,阐述了骑行服的发展现状,归纳总结了场地短距离骑行运动服设计的基本流程,明确重点防护部位;指出目前场地短距离骑行服的研究瓶颈——压力分布标准建立困难,骑行服所带来的运动能力的提升难以评价,提出了场地短距离骑行服的设计构想,使骑行服具有更好的功能性。

Stainless steel anisotropic superhydrophobic surfaces fabrication with inclined cone array via laser ablation and post annealing treatment

Metal superhydrophobic surfaces with anisotropic wettability and adhesion have become more and more important due to their promising applications. Herein, we report a new fabrication strategy through a combination of pulsed laser ablation and low-temperature annealing post-processing. An inclined cone structure array is made on stainless steel surfaces, and then 120 °C low-temperature annealing is applied. Such surface displays excellent mechanical durability and anisotropic superhydrophobicity. It is demonstrated experimentally that the contact angle of water droplets on the surface is different along the parallel(167° ±2°) and perpendicular directions(157° ±2°) of the inclined cone structure. The sliding behaviors of water droplets and mechanical durability of the inclined cone structures are studied. These surfaces obtained in a short time with environmentally friendly fabrication can be applied in industries for water harvesting, droplet manipulation, and pipeline transportation.

排水管道表面激光制备自清洁仿生结构的工艺与机理研究

针对球墨铸铁排水管道提出一种复合激光化学法制备超疏水微/纳结构的方法,采用飞秒脉冲激光刻蚀获取不同扫描速度下的微/纳结构,通过工艺探索对激光刻蚀参数和表面形貌进行优化。结果表明,微结构周期性完整,表面主要由纳米颗粒、裂纹和波纹组成,当激光加工速度小于225 mm/s时,试样表现出超疏水性,接触角最大可达161.3°±1.2°;当加工速度小于150 mm/s时,具有显著的自清洁特性,滑移角最小可达6.8°±2.1°。同时对不同工艺制备试样的化学耐久性和耐腐蚀性进行了比较,为球墨铸铁排水管道保护和再利用的模式与路径探索提供了新的思路与方法。

颗粒局域共振增强仿生复合材料中应力波的衰减行为

快速衰减应力波的冲击防护复合材料在民防、装甲、舰船等许多工业领域有着巨大的需求。受蜻蜓翅膀的启发,本文提出了基于颗粒局域共振原理的仿生微结构防护复合材料设计。研究发现:(1)当入射波频率接近局域共振单元的固有频率时,局域共振机制被最大程度激发,大量的入射应力波能量转化为颗粒的机械能;(2)单元固有频率随重芯直径、密度、软涂层厚度增大而减小,随软涂层弹性模量增大而增大;(3)在复合材料中引入不同固有频率单元的混杂设计,可以实现对宽频域入射应力波的高效衰减。本研究对于利用局域共振原理和仿生微结构开发设计高性能冲击防护复合材料具有指导意义。

仿舌表面结构的机械手爪设计与试验

介绍了一种仿生手爪的设计、制作及试验。首先,通过模仿典型动物舌表面丝状乳突结构,采用微米级3D打印技术等加工手段,制备了带有微米级仿生结构的表面材料,并基于该材料,研制了一款仿生手爪样机。搭建了测试平台,对仿生材料及仿生手爪的性能进行了测试,验证了仿生材料的粘附增强效应及其对仿生手爪的性能提升作用。本研究结果将有望用于新型仿生机械手爪研发,以提升其抓取过程中的柔性与自适应性,降低对目标物的损坏,提升抓取效率。

表面润湿性对梯形除雾器分离性能的影响

为解决实际工业中除雾器在高气速时分离效率明显降低的问题,利用除雾器分离实验装置,以水为实验介质,采用电火花线切割技术在叶片表面构建仿生微结构实现表面疏水化,考察了表面润湿性对除雾器分离效率和压降的影响。结果表明,仿生微结构的疏水功能和减阻效应良好,表面液膜的排液速率明显加快。当气速超过5m/s时,其液膜厚度相对较薄,可有效抑制液滴的二次夹带,提升分离效率。同时,疏水型梯形除雾器内的流场分布较平缓,流动阻力小,总压降约为带钩型梯形除雾器的一半。因此,疏水型梯形除雾器兼具高效率和低阻力特性,综合分离性能最佳。