结构仿生学（孙霁宇 ）

结构仿生学以工程力学原理为基础,研究生物体不同结构层次(微观、细观、宏观) 的形态以获得灵感,进而对材料、结构、系统进行仿生模拟,提高工程结构效率。结构仿生学涉及生物学、材料科学、结构设计、控制科学、空气动力学和系统工程等工程科学,属于跨学科研究领域。结构仿生学主要研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理的应用问题,研究生物系统的结构和性质为工程技术提供新的设计思想。结构仿生学正沿着多功能、智能化、集成化和微型化方向快速发展,只有重视并加强多学科协作,建立和完善仿生学理论,才能进一步扩大结构仿生的工程应用,推动技术进步。
本书是编者对从事结构仿生科研和在吉林大学讲授结构仿生学课程的总结。我们的目的是提供关于结构仿生研究的基本知识,并试图对结构仿生领域中的新发现和新进展进行评价。
全书主要阐述结构仿生学的基本概念和基本原理,包括天然生物材料结构特性及仿生、仿生结构设计、结构仿生学应用等。
本书第1章由孙霁宇撰写,第2章由任丽丽、孙霁宇、王悦明、吴薇、田宏丽撰写,第3章由刘超、孙霁宇、王悦明撰写,第4章由王悦明撰写。杨津负责本书的勘误和修订,闫永为、李鹏鹏负责部分图形的制作。在撰写过程中,作者尽可能反映国内外结构仿生学的新研究成果,特别是注重反映我国学者在学术上的贡献和创新。由于作者水平有限,书中难免存在缺点和疏漏,望专家和读者不吝指正。

编者
2021年9月

孙霁宇，吉林大学工程仿生教育部重点实验室教授。2012年授获中国农业工程学会第六届青年科技奖。2015年荣获长春市第六批有突出贡献专家称号。负责国家自然科学基金4项、十二五国家科技支撑计划项目1项、十三五国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项1项、等。发表学术论文80余篇，其中作为一作者/通讯作者SCI收录论文40余篇。

结构仿生学以工程力学原理为基础,研究生物体不同结构层次(微观、细观、宏观) 的形态以获得灵感,进而对材料、结构、系统进行仿生模拟,提高工程结构效率。结构仿生学涉及生物学、材料科学、结构设计、控制科学、空气动力学和系统工程等工程科学,属于跨学科研究领域。结构仿生学正沿着多功能、智能化、集成化和微型化方向快速发展。
《结构仿生学》主要阐述结构仿生学的基本概念和基本原理,包括天然生物材料结构特性及仿生、仿生结构设计、结构仿生学应用等。
《结构仿生学》是仿生科学与工程专业本科生和研究生教材,也可供相关领域的科技人员以及高等院校其他相关专业的师生参考。

第1章 绪论001
1.1　结构仿生学的发展现状001
1.2　结构仿生学的分类和应用实例002
1.3　结构仿生学的未来发展趋势006
思考题007

第2章 天然生物材料的结构特性及仿生008
2.1　天然生物材料的特性008
2.1.1　复合特性008
2.1.2　功能适应性009
2.1.3　创伤愈合性010
2.1.4　多功能性010
2.2　天然生物材料的结构特征与仿生011
2.2.1　分级结构与仿生011
2.2.2　纤维增强结构与仿生025
2.2.3　黏附结构与仿生034
2.2.4　减阻结构与仿生038
2.2.5　构色结构与仿生050
2.2.6　其他天然生物材料的结构与仿生076
2.2.7　天然生物材料的结构与仿生089
2.2.8　天然生物材料结构仿生设计范例097
思考题100

第3章 仿生结构设计101
3.1　仿生减阻结构设计101
3.1.1　表面织构减阻功能结构的研究101
3.1.2　仿生减阻功能结构的理论基础103
3.1.3　仿生减阻功能结构的应用104
3.1.4　仿生减阻深松铲的设计范例107
3.2　机械臂仿生设计（支撑件） 108
3.2.1　人手臂的结构特点109
3.2.2　仿生机械臂的优势和发展109
3.2.3　仿生机械臂的相关问题110
3.2.4　仿生机械臂未来的发展趋势111
3.3　微型飞行器的仿生设计112
3.3.1　微型飞行器的分类112
3.3.2　微型飞行器的主要应用113
3.3.3　微型飞行器的发展现状113
3.3.4　微型飞行器的设计范例124
思考题124

第4章 结构仿生学应用125
4.1　结构仿生学与材料工程125
4.1.1　陶瓷基复合材料125
4.1.2　组织工程材料137
4.1.3　仿生智能材料140
4.2　结构仿生学与建筑工程143
4.2.1　仿生建筑的概念144
4.2.2　仿生建筑的分类144
4.2.3　仿生建筑的空间特征149
4.2.4　经典仿生建筑案例150
4.3　结构仿生学与机械设计152
4.3.1　仿生机械学的定义152
4.3.2　仿生机械与机器人技术、康复工程153
4.3.3　仿生机械实例158
4.4　结构仿生学与航空航天工程173
4.4.1　金属结构材料173
4.4.2　空间结构复合材料174
4.4.3　空间可展结构177
思考题177

参考文献178