GB_T 42441-2023 仿生学 仿生材料、结构和构件.docx

ICS07.080CCS40中华人民共和国家标准GB/T424412023/ISO18457:2016仿生学仿生材料、结构和构件BioinimeticsBioniimeticInateriaIsyStructuresandcomponents(ISO18457:2016JDT)202403-17发布2023-10-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会发布技术性解决方案和产品的不断复杂化需要有新方法的出现.传统意义上的研究和开发方法及创新途径往往具有其用限性，尤其在材料、结构和构件的开发和优化过程中，正确识别适当的生物原理并应用仿生理念将共转移到技术应用中,可以为开发铝具有功能性、适应性、有效性（就资源而Iin和安全性（就对人类和环境的建害性方面而言）的材料、结构、构件和制造工之做出重要的贡舔.仿生学仿生材料、结构和构件1CT本文件为仿生材料、仿生结构、仿生表面、仿生构件以及仿生制造技术的开发提供了框架.本文件详细阐述了生物系统的原理，片钙别阐述了生物原型材料、结构、发面、构件的性能，以及为仿生方法提供动机和原因的制造技术.同时,本文件详细说明了基于对生物系统进行分析的类比、提取方法。基于仿生材料、结构、表面、构件和制造技术的几个范例来描述从生物到技术的朴化过程。本文件描述了能体现仿生材料典性特征的测量方法和磐数，为关于仿生材料、结构、衣面、构件及其工程中的相关制造技术提供信息支找1.木文件还涉及了出材料、结构、表面、构件的菇础开发而引出的仿生学子领域，以及随之而来的相关制造技术中更为宽泛的创新。本文件为所有开发、设计、制品或应用仿生材料、结构、表面、构件及其制造技术的人员提供了指导和支持.2挺范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注I期的引用文件，仪该日期时应的版本适用于木文件：不注日期的引用文件，其最新版木（包括所有的惜改单）适用于木文件。GB/T424442023仿生学术语、概念与方法论（ISo18458:2015.IDT）3和监虚义GBT424442023界定的以及下列术语和定义适用于本文件，3.1适应性adaptivity适应不同环境条件的能力.3.2效率e（iciency系统有用输出和所有输入之间的关系，3.3艺generativenui11uacturingprocess三维构件的生产制造工艺，如材料的逐层成形"注：这些技术可用在四种不同刎造？三: 我念模型（增材制时:机械我荷不可应川到这些模型”这些模型只能起我提供一种帮视觉的作用： 功能模型（增忖由附:这些隧具有与之后用于大规模牛产的构件相类似的属性： 工具（快速模具加彼）:与其恸蛉工艺相结合而制造的模具； ，J微型!沪:（快速制圈:对应于必需且实用属性的三维模里成3.4梯度过渡gradienttransition逐渐过渡gradua1.transition化学、物理或力学属性的持续变化，具有方向性.注：扰物理和力学属性而言,生物材料往往具行逐渐过渡的特证.这些特征足通过其在多种多样层次中的结构变化而实现的.3.5兼容性Cumputibi1.ity环境中一个物质流或一种技术的再循环性和适应性。3.6模块化modu1.arity源于单个模块的一个整体系统的构成，3.7多功能性Bi1.tiftncticna1.ity一种材料与部件的结构和属性使生物体拥有几个必要功能,或技术上有里得以高水平地实现并处于平衡状态.3.8冗余度redundancy具有功能方面相似的系统，凭借单一系统足以维持相应的功能(系统的多重性)。3.9?TWHS<WFeei1.iencvftUItto1.ennce个系统在外力作用下的耐受性或功能恢发的能力.3.10SeICX属性se1.fXproperty存在于材料中或衣面上的弼性与信息不需特殊控制就可自动廷续其过程注：Sdf-X属性在生物M科和麦面中十分船"在砒至技术产品方而具有咆雯意义.范例包括自侬性、白级装性、白修复性、白愈合性、白活性和白锐性，3.11立构IMt性stereoregu1.arity立构规整位tac(ici(y版合物链分子结构的特定几何规律性。注I：具行相同化学成分的大夕卜f材料山于其原子用原子出的空间排列不同而具有显著不同的机械性能.在化学牛产技术中，聚合懒的分子几何形状在聚合过程中由所选的反应温度和所用的催，场决定。注2:白然界中的彳典型苞例是聚异或端它可以是郁帆的(天然柳腹),也可以是硬的(概、占瑞以4m«下列缩略语适用于本文件.AES:俄歌电/能谱(AUgCrE1.ccironSpcctroscopy)AFM:原子力显微镜(AtomicFonrcMicroscope)CT:计算机断层扫描(COmPU1.erTomography)DSC:差示扫描ht热法(DifrCrCntia1.ScanningCa1.orimctry)DTA:基热分析法(DiffCrCntia1.Therma1.Ana1.ysis)GC:气相色谱法(GaSChromatography)Ge-MS/MS:气相色谱串联防谱法(GaSChromatography-IandcmMassSpectrometry)GPC:凝胶渗透色港法(Ge1.Per1.nea1.ionChroma(Ography)a)*在理想情况下，诚反射结构的内建步骤可以与构件的制造过程相结合。A.1.1.KW仿生可重发使用胶带是一个典型的借助生物推进的方式而开发的范例。增虎足趾所具有的优异黏附性/分离性己在近年来受到了特别的关注。壁虎无霜种相应于黏合剂的分泌物就可完美施舞的到一个表面上，即使是在像窗户坡场那种平坦的表面上也可进行空间移动（见图A9）.黏附力由壁虎足趾和接触时象表面间所产生的分子力（他的华力）所网控35.当范德华力作用于两接触平面时他于钻冏能与分离面的平方成反比,因此使两个平面相互.接近的方式很重要，许多研究人员已羟基于壁虎胆的熟附原理,研究了机械融附特性和设计原则，用合成刚毛结构开发出了这种黏附表面（如图A.10）。然而，大多数的制造方法造价昂贝，使这种衣面的大面积生产仍存在着困难。6b)SA.9«£的附*!«M依性W«B分析方法B.1分析方法/拯生物体的性能纷繁笠树，因此有必要进行具有针对性的分析，丧BJ和表B.2分别列举了生物材料性能分析研究的目标和分析方法的实例。衣B.2共介绍了8个分析目标.原本被归类在物理属性中的力学.属性和光学屈性单列在表B.1中.仿生学中受生物体系启迪而获灵感的范例不胜枚举.研究与开发工作都是通过观察、分析和制造技术所取对的进步为先导的（分析技术在役B.2中列出）.«B.1.生修材料性能分析研究的目柝序号性隹分析目标4bCdCfKh能*学，Utq力学属性光学属住其他物理JW性化学/元行为分析生物特性生物活动a）材料光学、M反射、结构色、光电IXXII2发光X3辂fiHt构I4泅混性IXXI5力学幡性1XX6双枪去动力学kXX7IaX«IX8流体动力学、K9电气性能谯缘体，发电X*10冲击啜收IXU生施桃板XIX12管姑构IXXI13表面张力IXII1.不定向IXXb)itCW15生物矿化I1116光合台用XX17有机会成1XXX18加工X19新陈代密XXX20微雾化X«B.1.生4”州柜能分析研究的目*K序弓性掠分析目钵ObC6Cr6h呼沙力？n小I1.他构KXft化於/用*n行为分析牛杓Utt生物活动21脱落XX22敢射性XXC)SCgZJ自用税件XXXXX见白宛合性，自修复性XXIX石自用装性XX国自泊性XXX127白镇性XXd）传逋那视觉/可见光、红外'特定波长XtXXXX如嗔梵XIXXg触觉.机械感受薪XX1X31味竟X1XX32骑她播4次低项XXXX磁性传移IeXXS1.力传解器XXXC）流体动力学存力XXX升力XXyr第助力XXX而体阻力XXXX。节能、节浓麻摞控刎XXYW海发拘切XXX41海度控制XI42循环性（可后技性）/可网收、可译用的Je用检、Xg）对环境的适应性肥水耐性XX3耐宾性XXX5耐酸或耐收性XX*5耐褥湍性X*B1生看材料性能分析研究的目标（续）序”性能分析目标«1bCdf8h行态学/始构力学航性光学规性HttJW理性化学/元索特衽行为分析生物生物活动47高湍快用XX-18紫外辐射抗性XXXh）行为，牛急-19轶仿/飘色.形状、化学伪笠XXX50描性I1XI51节能I52避免冲突XI53XI交互联系XI55天故XI56防御I注，本表与次2有关联，我中序号】-56的内容与去2对应，*B2生«»桩能的研究分析目标和分析方法实例序号分析目的分析方法*影点学/姑构UM.SE虬TEM.SPM,X-ray,仃、断瓜打搐，SIM,激光共窥便整费的、多元子徼发荧b力学属性力学测试.孙忆盗和性测状仅器纳米、微堀殷试，雉氏被鹿试依忸堡硬皮,帽子力显我钺，摩擦力与依赫扫描探针显微彼C光守观性分光龙慢计、共聚修激光扫描4a标,契光计、惕探君及仪、反射仪mis,0拴光椭和率测及仪d箕他物理修性接触用满被仅、热疗率计、因抗分析仪、»TA.D5C、蔚涉计、频率分析仪、僦性、空气后、微波澜滉C化学元太特性KVR.IR,ift.Xrny.拄曼、WST(XSIttS.XRKSSWEI>S.SIMS.AES.中子欣射、电动电位、3C、GCf行为分析AiiIti1.tt.电脑校损.WiWiS.专用设备.视做分析.行为分析g生物特性IIPtjC.I£MS.MS,DKA潴/、UMBIVS.私生酸分析仪h生物话功HP1.C.1.iS/NSGC-MS/MS在，本表与建B.IH有关联性表中的序t-hM应改B.I中的序号ah.-,z)1W-W三ttft*宏郎Kar一行钝分析力特试-我面分析（相拓也JMMWfim分析-KMar依在力学消建SMJHVW*子*MUMfBSBC透射电俄分析TCM>-曲电力针i纳米长软-彷E潴九捕&徵晚分析BAM1.- 长例分析（界面.ffittK9）衣光于雅劣处分析生化M面-MN分析尤惟分析IFr限RIn1.m1.M蜕子力U微晓分析AFM）- 近射电钝分析（TEM- 刈及例母核磁共振也分析NMR，EB.1木材/轩范例中不同屋水平的兵0分析方法B.2生物和怯生衰的漏与我征方法8.2.1 集蛆自从荷叶效应被证实有效后用于超嫉水表面的表面工程和研窕成为仿生学研究中的热点.RfiZ而来的各式各样的表面工程和处理技术得以广泛开发,用以将自然界巾一些新发现的原珊转移到技术应用中去，然而，生物和仿生表面的测质和表征远比常规工程材料所涉及的范附要更为广泛和史杂，当将常规分析方法应用到这种测量中去时，由生物表面性能耐白然环境条件的依敕性而导致测中过程中存在诸多同懑.K1.8.2.2 海源住昆虫矮膀或叶片表面呈现波浪和弯曲形状，且衣面是粗糙的.对接触角所进行的常态化测M:不能用来评价疏水性,因为从横向很难观察到固相-液相-气相的隐微接触线。使用一种数值分析法则可以对处于隐藏接触线的接触角进行测Jk而且沿着不规则接触现可以得出平均接触加伯因此.这种数值分析法可作为生物和仿生表面的一种测址和去征工具.8.2.3 麟的MW通常情况下，将标本放置在真空环境中以使用电子扫描显微镜(SEM)时其表面进行观察，大多数生物都仅可以生存在常规大气压下.而度真空降低的气压会导致生勃迅速脱水和死亡。形态结构也常常会在直空条件下遭到破坏。在生物学研究中，有一种被称之为“纳米服法”的技术，可使用扫描电子显做钺(SEM)对活体生物进行观察10。这种“消米眼法”可以成为观察生物表面的一种有力的工具手段。“纳米眼法”是通过一个简单的表面改件操作使生物表面徵彘一薄薄的暖合物涂层.为生物体提供极强的耐高真空性.该层柔性的“纳米服”可阻断气体和液体的通道.因此对生物体起到一种保护性作用“R24一个生物体的表面是不均匀的：在许多情况下,表面结构具有方向性.例如.当测出摩擦系数时就衢要根据生物体衣面结构的方向来诳行测限.考文tI)VDI6224Part2:2012-08,BionicOptimizationjAppIicationofbio1.ogica1.growth1.awsforthes1.mc1.ure-np<)ncnts.Bur1.in:Bcu1.hVer1.ag2)Masse1.terT.Baih1.o<tW.BauerG.Bert1.ingJeCichyEDiische-KuruPJnippersj1.iCnhi1.rd、R1.iichsingcrK1.unz,CMatthcckAIMi1.wich,NM1.dcrs,CNcinhuis,ANdICsCn,SPoppinga1.MRechbergenSSchIeichenCSchmitt.HSchwager1.RSeideI1.OSpeck,TStegmaicrJTecsari1Thic1.en&TSpcck:Bioininicticproducts.In:Y.Bar-COhen(CdJBi()ininc1.icsna1.urcbasedinnovadon377-429.CRCPress/Tay1.orFrancisGrouptBocaRaton.1.ondonewYrk,2O123VincentJFVtBoga1.yrevaOABoga1.yiwNR.BowyerA.Pah1.-KBioiniineiics:i(spracticeandtheoryJ.R.Soc.Inerface.20063(9)p.471-4824JHosodaNJsuH.Uo<zuY.SanoN.TakaiiashiT.TsubakiR.Thetrendofthemateria1.s-bascdbiomimeticsst1.yandfuturedeve1.opment,PEN(Pub1.icEngagementwithNanobascdemergingtechno1.ogies).V>1.5.No.4.pp.78-82.20145).AshbvMF.Ma1.eria1.sSe1.ectioninMechanica1.Design.Bu1.terworthHeinenuinnaFourthE-dition.2010.6)WcgsiUGK2006)VoodforSoux1.ncricanJourna1.ofBotany93:1439-14487)VincenJFV.Biomimeiicmateria1.sJ.Maie.Res.2OO8.23.3)40-3147(三)fcfcHicrarchicaIstructuresinbio1.ogyasaguidef>rnewmateria1.stechno1.ogy''.CommitteeonSyntheticHierarchica1.StnKr1.uresiNa1.ionaIMateria1.sAdvisoryBoardeCommissiononEngineeringandTechnica1.Sys1.ems.Nationa!ResearchCounci1.NMAB-464.Na1.iona1.AcademyPressaWashing-ton,D.C.1994WeIPhHV,Rizzo1.iSO.1.auterbaehM.KaminDJahnRJie1.1.SWjVideo-RateFarFie1.dOptica1.NanoscopyDissectsSynapiicVesic1.eMovemenI.Science.2008.320pp.246249I1.()GustafssonMG.Shao1.Car1.tonPM.Thrce-<1.irnc11siona1.reso1.utiondoub1.inginwidefie1.df1.uorescencemicroscopybySinKnUredi1.1.unina(ion.BiophysJ.2()08.94(12)pp.4957-4970111Schcrn1.1.ch1.,Car1.tonPM.HaascS.Subdiffractionmu1.tico1.orimagingofthenuc1.earperipherywith3DS1.nKnUredi)umina1.ionnic11)scopy.Science.2008.320(5881)pp.1332-1336I12Rcchcnt>crgJ.7.Vor1.csungBionik1.:Dic7DcnkschrittcdcrBionik.http:/www.bionik.tu-bcriin.deinstitut&krip1.vor1.bI.h1.m(10.01.2011)13Z1.okamikM.Sca1.c-UpiModcIIubcrtragungindcrVcrfahrcnstcchnik.Wi1.cy-VCH,2OO514RUgebergMSpeckTTarisOtUipierreCToIIetB.KochG.S(iffnessgradientsinvascu1.arbund1.esofpa1.mWashingtoniarobusa.Proc.Bio1.Sci.2(X)8.275pp.2221-22291.5)Cristofb1.ini1.TaddeiF.Ba!eaniM.Barufa1.diS.VicecontiM.Mu1.tisca1.einvestigationofthefunctiona1.propertiesofthehu11nfe11ur.Phi1.Trans.Ry.Scx:.A.Mathema1.ica1.Physica1.andEngineeringSCiC1.WCE.2008,366pp.3319-3341116HofstetterK.He1.1.inichCtEberhardsieiiwrJ.Deve1.opineniandexrinen(a1.va1.idaiionofacontinuummkromechanicsmode1.forthee1.asticityofW(XKj.EurJMeChA,So1.ids.2005.24pp.1030-105317Barthc1.ataHTangaHavat1.icriPD.1.iC-M.EspinosaHD.Onthemechanicsofmo<hcr-of-pcari:Akeyfeatureinthemtcria1.hierarchica1.StruciurcJ.Mcch.Phys.So1.ids.2007.55pp.306-33718Kappc1.R.Zugsci1.cindcrNaturAvisscnschaftIichcBcrichtc,hyKA-7313,1.)isscrtation,UnivcrsitatKar1.sruhc2007,httpdigbib.ut>ka.uni-kar1.sruhc.dcvo1.hcxtc1.(MXKX)71.19,(1view18.10,2015)I9VDI6220Part1.BiomimcticsConceptionandstrategyDifferencesbetweenbiomimeticandconventiona1.methods/produc(s.Bcr1.in:BeuthVer1.ag20Wa1.1.hcrA1.Bjurhager1.,Ma1.hoJtRuoko1.ainenJ.Berg1.und1.Ikka1.aO.:SUPramOIekUIareKon1.ro1.1.edcrncchani-schenEigCnSChancnfcuerabschirnendcrPcr1.inuttana1.oga.Angew.Chcrn.201OJ22pp.65936599211McrtX1.&Yi1.nuzcrU.Proccssngandpropertiesofmodifiedpo1.yamk1.c66-organoc1.aynanocomposi(esJ.App1.Po1.ym.Sci.2008J08(6)pp.3890-3922P(x1.siad1.oPXhaushiAK.Arruda.WaasEM.ShimBS.XuJ-NandivadaBG.Purnp-IinBG.1.ahannJ.RamammrthyA.KotovNAjUItrastrongandstiff1.ayeredPo1.ymCrnan<om-p>si1.es.Scicncc.2007,318p.8023GrossmannU.RechbergerM.BImerJ.Bert1.ingJ.WearingEffectsincu1.1.ingProcessDeve1.opmentofaCombinedSimu1.ationAPPrOaeh.ImFricIion.WearandWearP11)1.ection.(Fisc1.wr.BobzinK.eds.).Wi1.ey-VCH.Weinhein.2924Massc1.tcrT,SpcckT.Biomimcticfibcr-rcinforcedcompoundmatcria1.s.In:AdvancesinBiomimetics.195-2IOjGcorgeA.cd.).Intcch.Rijcka,Croatia,201.125Mi1.wichM.SpcckT,SpeckO1.StegmaierT.PIanckH.Biomimeticsandtechnica1.tex-(i1.es:so1.vingengineeringprob1.emswith(hehe1.pofnature'swisdom.Am.J.Bo<.2006,93pp.1455-1465126)MmtheckC.Tefaceoffai1.ureinnatureandCngineering1KarisruheInstituteofTechno1.ogy.Karisruhc.2OO427MauheckC.Designinnature-1.earningfromirees.Springcr.Hcide1.t>erg.1998(28Sai1.o,Sci.Techno1.dv.Mater.201IJ2p.O647O929YoshimuraM.HighPoIymcrsJapan.2003,52(11)pp.826-82830)Hin)SeH.PENJanuary.p.6-10.201331UozuY.ContinuousRo1.1.ImprintingofMothEycAntircf1.cctionSurfaceUsingAnodicPorous1.unina.Proc.EcoDesign201132C1.aPhamPB.Hu1.(1.eyMC.Reductionof1.ensref1.uxionby(het'notheye,princi1.e.Na-(ure.1973.244pp.281-28233FIK1.OUZiH.SawadaT.UozuY.TowardIndustria1.ProductionofBiomimeticPhotonicStructurcsJn:BiomimcticsinPhotonics,(Ka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