仿生建筑的基本原理和应用

仿生学，在哪些方面有应用及原理~

仿生学是研究生物系统的结构和性质以及工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学例子：　苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。　　苍蝇与宇宙飞船
　　令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。
　　苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。
　　每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。
　　仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。
　　这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。
　　从萤火虫到人工冷光
　　自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼。那么，有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然。
　　在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为“冷光”。
　　在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。因此，生物光是一种人类理想的光。
　　科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。
　　早在40年代，人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯，使人类的照明光源发生了很大变化。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源，不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。
　　现在，人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用。
　　电鱼与伏特电池
　　自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 。人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。
　　各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。
　　电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究， 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。
　　电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
　　水母的顺风耳
　　在自然界中，水母，早在５亿多年前，它们就以经在海水里生活了。“但是，水母跟顺风耳又有什么关系呢？”人们肯定会问这样一个问题．因为，水母在风暴来临之前，就会成群结队地游向大海，就预示风暴既将来临.但是，这又与“顺风耳”有什么关系呢？原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波（频率为８～１３赫），是风暴来临之前的预告．这种次声波，人耳是听不到的，而对水母来说却是易如反掌．科学家经过研究发现，水母的耳朵里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石．
　　科学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官．
　　技能训练长颈鹿与宇航员失重现象
　　长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压为什么不会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢？这与长颈鹿身体的结构有关。首先，长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示，在训练宇航员对，设置一种特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时，以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制了飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体，从而对血管产生一定的压力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上部的血液向下肢输送。
　　蛋壳与薄壳建筑
　　蛋壳呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。
　　-- 结构构件
　　对于构件，在截面面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中和轴的位置上，是有效的截面形状。有趣的是，在自然界许多动植物的组织中也体现了这个结论。例如：“疾风知劲草”，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空心的。支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。
　　-- 斑马
　　斑马生活在非洲大陆，外形与一般的马没有什么两样，它们身上的条纹是为适应生存环境而衍化出来的保护色。在所有斑马中，细斑马长得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圆又大，条纹细密且多。斑马常与草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鸵鸟等共外，以抵御天敌。人类将斑马条纹应用到军事上是一个是很成功仿生学例子。
　　昆虫与仿生
　　昆虫个体小，种类和数量庞大，占现存动物的75％以上，遍布全世界。它们有各自的生存绝技，有些技能连人类也自叹不如。人们对自然资源的利用范围越来越广泛，特别是仿生学方面的任何成就，都来自生物的某种特性，本文简要介绍昆虫与仿生学。　（右为家蝇的眼睛）
　　蝴蝶与仿生　五彩的蝴蝶锦色粲然，如重月纹凤蝶，褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶，其后翅在阳光下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。科学家通过对蝴 蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。苏联昆虫学家施万维奇根据当时 人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事 基地仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。
　　人造卫星在太空中由于位 置的不断变化可引起温度骤然变化，有时温差可高达两、三百度，严重影响许多仪器的正常工作。科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调 节体温的启发，将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝，随温度变化可 调节窗的开合，从而保持了人造卫星内部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。
　　甲虫与仿生　屁步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体 “炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶 混合发生化学反应，瞬间就成为100℃的毒液，并迅速射出。这种原理目前已应用于军事技术中。二战期间，德国纳粹为了战争的需要，据此机理制造出了一种功 率极大且性能安全可靠的新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷 射原理的启发研制出了先进的二元化武器。这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中，炮弹发射后隔膜破裂，两种毒剂中间体在弹体飞 行的8—10秒内混合并发生反应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。萤火虫可将化学能直接转变成光 能，且转化效率达100%，而普通电灯的发光效率只有6%。人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大节约了能量。另外，根据甲 虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空事业中。
　　蜻蜓与仿生
　　蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，井 利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72km/小时。此外，蜻蜒的 飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失 事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙，于是人们仿效蜻蜒在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。
　　苍蝇与仿生　昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平 衡的导航仪。科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能LlJ，可使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还 能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼，能看清几乎360。范围内的物体。在蝇眼的启示 下，人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对 数十种气味进行快速分析且可立即作出反应。科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构，把各种化学反应转变成电脉冲的方式，制成了十分灵敏的小型气体分析仪，目前已广 泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所来检测气体成分，使科研、生产的安全系数更为准确、可靠。
　　蜂类与仿生　蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小 蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109。28’，锐角70。32’完全相同，是最节省 材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞 机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏 振光导航仪，早已广泛用于航海事业中。
　　其它昆虫与仿生
　　跳蚤的跳跃本领十分高强，航空专家对此进行了
　　生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。
　　响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。
　　火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。
　　科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。
　　科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。
　　白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器—一块干胶炮弹。
　　美国空军通过毒蛇的“热眼”功能，研究开发出了微型热传感器。
　　我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导湿的功能。
　　根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001℃的温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯。人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。
　　仿生学是人类一直使用的方法，如模仿海豚皮而构造的"海豚皮游泳衣"、科学家研究鲸鱼的皮肤时，发现其上有沟漕的结构，于是有个科学家就依照鲸鱼皮构造，造成一个薄膜蒙在飞机的表面，据实验可节约能源3%，若全国的飞机都蒙上这样的表面，每年可节约几十亿。又如有科学家研究蜘蛛，发现蜘蛛的腿上没有肌肉，有脚的动物会走，主要是靠肌肉的收缩，现在蜘蛛没有肌肉为什么会走路？经研究蜘蛛不是靠肌肉的收缩进行走路的，而是靠其中的"液压"的结构进行走路，据此人们发明了液压步行机……总之,从自然界得到启迪,模仿其结构进行发明创造.这就是仿生学. 这是我们向自然界学习的一个方面。
　　附(仿生学现象简表):
　　1。从令人讨厌的苍蝇身上，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。
　　2。从萤火虫到人工冷光；
　　3。电鱼与伏特电池；
　　4。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。
　　5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。
　　电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。
　　6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。
　　7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。
　　8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。
　　9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。
　　10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。
　　11。船桨模仿的是鸭的蹼。
　　12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。
　　13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。
　　14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。
　　15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。
　　16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。
　　16.树叶的排列和悉尼大剧院的建设。
　　17.潜水艇和鱼的沉浮。
　　18.响尾蛇和空对空响尾蛇导弹。
　　19.人们根据章鱼发明烟雾弹。
　　20.根据蛋壳发现拱形的承受力量。
　　21.飞机飞行时产生的剧烈抖动是根据蜻蜓改善的。
　　22.变色衣服是学习蝴蝶上的鳞片。
　　23.防水衣服是仿荷叶造的。
　　24.鼠标是仿老鼠的。
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其实，人类在建筑技术上所遇到的许多难题，自然界中早已有了类似的解答，因为生物在千万年进化的过程中，为了适应自然界的规律需要不断完善自身的性能与组织，它需要获得高效低耗、自觉应变、新陈代谢、肌体完整的保障系统，从而生物才能得以生存与繁衍。只有这样，自然界才能成为一个整体，才能保持生物链的平衡与延续。当然，人也是大自然中的一员，人类为了生存与发展不仅需要建筑，而建筑也需要适应自然界的规律，否则不仅会破坏自然环境，而且也会毁灭人类自身。从人与自然界的关系来说，建筑可谓是人的第3层皮肤 （第1层是人的自身皮肤，第2层是衣服），它是人与自然界之间的中介，如何使建筑能适应环境的自然规律，又能适合人类不断发展的需要，这的确是现代文明所提出的新课题。正因为如此，有效寻找和利用自然界生物的成长规律来适应人类社会发展对建筑的需要，这就是建筑仿生学的主要任务。

摘要：自修复是生物的重要特征之一。自修复的核心是物质补给和能量补给，其过程由生长活性因子来完成[5]。自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生，恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。

关键词：自修复 混凝土

1 自修复混凝土的基本特征

自修复是生物的重要特征之一[4]。自修复的核心是物质补给和能量补给，其过程由生长活性因子来完成[5]。自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生，恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。

据此，学者们设想具有自修复行为的智能材料模型为，在材料的基体中布有许多细小纤维的管道。管中装有可流动的物质——修复剂。在外界环境作用下，一旦材料基体开裂，则纤维随即裂开，其内装的修复剂流淌到开裂处，由化学作用自动实现粘合，从而抑制开裂修复材料。这可以提高开裂部分的强度，增强延性弯曲的能力，从而提高整个结构的性能[6]。若采用低模量的胶粘剂修复混凝土，则可以改善建筑结构的阻尼特性，以减轻地震的大风对建筑物的破坏；如果胶粘剂弹性模量较大，则可以恢复结构的刚度和强度；不同凝固时间的胶粘剂可以用于对结构的弯曲进行控制。

自修复混凝土，从严格意义上来说，应该是一种机敏混凝土。机敏混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土,是智能混凝土的初级阶段,是混凝土材料发展的高级阶段[7]。由这种材料构建的混凝上结构出现裂纹和损伤后，如何利用自身的材料特性达到自修复、自钝化，对混凝土结构起到自防护的作用，是我们关注的主要问题。近年来,损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。未来，可在自修复混凝土的基础上，进一步融入信息科学的内容，如感知、识别和驱动控制等。从而达到适应环境、调节环境、材料结构和健康状况的自诊断和自修复等目的。使其具有多种完善的仿生功能，包括骨骼系统（基材）提供的承载能力，神经系统（传感网络）提供的检测和感知能力，肌肉系统（驱动元件）提供的康复能力，真正达到混凝土材料的结构——智能一体化的境界[8]

2 国内外的研究状况与存在的问题

智能混凝土是材料学的一个研究分支，其起源可追溯到上世纪六十年代，当时的苏联科学家采用碳墨为导电组分制备了水泥基导电复合材料。八十年代末期，日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对混进变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。美国在1993年，由于有国家科学基金的资助，开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。然而，正如前面所说，智能混凝土材料是具有若干个S行为的材料[9],即具有自我诊断功能(self-diagnosis)、自我调节功能(self-tuning)、自我恢复功能(self-recovery)、自我修复功能(self-repair)等多种功能的综合,缺一不可，以目前的科技水平，制备完善的智能混凝土材料是相当困难的，也是不现实的。

2.1 国外的研究现状

近年来，国内外虽然先后开展了智能仿生混凝土的研究，并取得了一些有价值的成果。如相继出现的水泥基导电复合材料、水泥基磁性复合材料、具有屏蔽磁场和电磁波的水泥基复合材料、损伤自诊断水泥基复合材料、自动调节环境温度、湿度的水泥基复合材料等。但是如何对混凝土结构的裂纹和损伤进行及时、有效、快速的修复和愈合，还未形成比较完善的理论和成熟的工艺技术，目前只有美国、日本等少数国家处于实验室探索阶段，尚未取得实质性的进展。

研究混凝土裂纹的自防护最早可以追溯到1925年[10]，Abram发现混凝上试件在抗拉强度测试开裂后，将其放在户外8年，裂纹竟然愈合了，而且强度比先前提高了两倍。后来挪威学者Stefan Jacobsen的研究也表明，混凝土在冻融循环损伤后，将其放置在水中2～3个月，混凝土的抗压强度有了4～5％的恢复。在混凝土裂纹自防护问题上，国内外的研究者提出了各种方法。研究者受生物界的启示，模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后具有自行修复和再生功能。在混凝土传统组分中复合特殊组分或者在混凝土内部形成智能型仿生自愈合网络系统，当混凝土材料出现裂纹时，部分胶粘剂流出并深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合。

美国加州大学伯克利分校的日本学者J.-S.Ryu 和东京理工大学的Nobuaki Otsuki教授应用电化学技术对钢筋混凝土裂缝实施愈合作了一些研究[11]，并取得了一定实验性成果。首先，他们在100×100×200mm混凝土试件上预制裂纹，可以是表面裂纹也可以是穿透裂纹，然后将带有预制裂纹的试件浸泡在0.1mol/L的MgC12或Mg(NO3)2溶液中，施加电流密度为0.5～1.0A/m2的直流电源。由于裂纹尖端附近存在更高的电流密度，电沉积先在裂纹尖端形成，裂纹尖端的曲率半径逐渐增大，最后可以达到完全钝化；然后，在混凝土表面覆盖约0.5~2mm的电沉积物。在通电的前两个星期内，裂纹闭合速度最快，4～8个星期后，裂缝几乎完全闭合，而且渗透率降低了。还有学者在混凝土中掺入特殊的活性无机料和有机化合物，依靠自身的进一步水化反应和有机物在碱性条件下缓慢硬化的特性，使混凝土裂纹达到自修复、自钝化的目的。

九十年代初期，日本东北大学学者三桥博三[12]教授将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，分别用水玻璃、稀释水玻璃和环氧树脂作为修复剂，将其注入空心胶囊或空心玻璃纤维中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心纤维破裂，胶粘剂流出深入裂缝，胶粘剂可使混凝土裂缝重新愈合。他们的试验方法是：通过制作龄期为7天和28天的混凝土试件，来测试经不同修复剂修复开裂后，混凝土试件的强度恢复率。

日本学者沼尾达弥[13]还研究了自修复混凝土中的不同的纤维掺量、尺寸和不同的水灰比等因素对混凝土自修复产生的影响，直径为3mm～5mm，掺量 3％～5％的玻璃纤维对混凝土抗压强度的影响差别不大。但是过多的掺入玻璃纤维，将会导致混凝土强度的下降。不同水灰比对修复混凝土抗压强度也有较大的影响，水灰比越大，混凝土的抗压强度越低。

1994年，美国Illinois大学的Carolyn Dry教授将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。当混凝土结构在使用过程中出现损伤和裂纹时，管内或短管内装的修复剂流出渗入裂缝，由于化学作用使修复胶粘剂固结，从而抑制开裂，修复裂缝。修复后的混凝土试件经过三点弯曲实验发现，其强度比先前还有了较大提高，并且材料的延性也得到了较大的改善[3,6]。

1995年，美国国家科学基金会和Illinois大学合作，提出了用充满修复胶粘剂的具有传感功能的装置来感知混凝土构件的开裂，并使其愈合的可能性，实现混凝土的自诊断、自修复[14]。

1996年，美国Illinois大学的ATRE实验室在混凝土桥面内预装有低模量的内含修复胶粘剂的修复管，混凝土产生横向收缩时，横向收缩应变使管破裂，修复胶粘剂从管中留出，填充愈合桥面的裂缝[15]。实验证明，这种方法用来修复桥面横向收缩引起的裂缝是可行的。由于修复胶粘剂弹性模量低，裂缝愈合区比未开裂前有更大的承受变形的能力。

在此基础上, Carolyn Dry教授还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料[16]。其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料并在其中加入多孔的编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂，与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。由此，在纤维网的表面形成大量有机及无机物质，它们互相穿插粘接，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机有机相结合的复合材料，其性能具有优异的强度及延性。而且，在材料使用过程中，如果发生裂纹或损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合裂纹或损伤。日本学者H．Hilalshi[17]和英国学者S．M．Bleay[18]分别在1998、2001年采用类似的方法研究了混凝上裂纹的自防护问题。

2.2 国内的研究现状

目前，国内对智能材料结构的研究一般都集中在对它的自诊断、自适应功能的研究上，对于自修复的研究尚处于起步阶段。

南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室，在我国的智能复合材料研究领域处于领先地位。在1997年，他们研究了利用形状记忆合金（SMA丝）和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。对总体方案进行了分析,采用E44和E51的环氧树脂，做了初步的试验：在混凝土中埋入形状记忆合金和液芯光纤，光纤的出射光由光敏管接受，当损伤发生时,由液芯光纤组成的自诊断、自修复网络使胶液流入损伤处，同时局部激励损伤处的SMA短纤维,产生局部压应力,使损伤处的液芯光纤断裂，胶液流出,对损伤处进行自修复[19],而且当液芯光纤内所含的胶粘剂流到损伤处后，SMA激励时所产生得热量，将大大提高固化的质量，使得自修复完成得更好。

2001年，南京航空航天大学的杨红[20]提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。该文首创了用于智能结构的空心光纤研究方法，并对其进行了应用基础研究。此外，还设计了埋入空心光纤的复合材料诊断与修复系统用于检测复合材料损伤程度与位置以及对损伤处进行自修复等。在复合材料中，还埋入了形状记忆合金(SMA)丝以提高复合材料的强度、安全和可靠性。研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材料，利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研究。实验表明，修复后的纸蜂窝复合材料完全达到正常材料的使用性能，树脂基复合材料在完全破坏的情况下，经修复后，材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。

同济大学混凝土材料研究国家重点实验室等研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分即所谓的第六组分，如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。当混凝土材料内部出现损伤时，仿生传感器可以及时诊断预警，当内部出现微裂纹时，部分液芯纤维破裂，胶粘剂流出深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合，恢复并提高混凝土材料的性能。该智能复合材料的研究可实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复，以超前意识确保混凝土结构的安全性，延长混凝土构筑物的使用寿命[8]。

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城口县17649129449： 建筑中的仿生学例子有哪些? - ？
元郊岑连： 建筑仿生学的表现与应用方法,归纳起来大致有四个方面: 城市环境仿生,使用功能仿生,建筑形式仿生,组织结构仿生. 当然,往往会出现综合性的仿生应用, 形成一种城市与建筑的仿生整体. ===在城市环境仿生方面==== 早在1853年时...

城口县17649129449： 什么是仿生建筑,能举例说明吗 - ？
元郊岑连： 仿生建筑以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象,探寻自然界中科学合理的建造规律,并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法,促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成.从某个意义上说...

城口县17649129449： 什么是仿生建筑? - ？
元郊岑连： 自然界的生物经过数十万年的衍变,形成了适应环境的能力,其进化而来的居住结构往往令人类叹为观止:蜂巢轻巧而牢固,蜘网精细而柔韧,鸟巢简单而功能齐全,水獭窝则秘密而安全…… 大自然永远是人类的老师,生物的奇妙构造给建筑设...

城口县17649129449： 仿生建筑的建筑分类有哪些 - ？
元郊岑连： 有机建筑源自自然、师法自然,但不是模仿自然.例如乡土建筑.仿生建筑是直接地模仿自然.两者概念不同,各自为独立的建筑类型.

城口县17649129449： 什么事仿生建筑 - ？
元郊岑连： 仿生建筑是模拟生物的形态,采用非线性的形体的建筑,追求建筑本身的有机性.

城口县17649129449： 未来会出现什么仿生建筑 ？
元郊岑连： 未来会出现综合性仿生建筑,仿生建筑以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象,探寻自然界中科学合理的建造规律,并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法,促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成.从某个意义上说,仿生建筑也是绿色建筑,仿生技术手段也应属于绿色技术的范畴.对于仿生建筑的研究被认为赋予了提供健康生活,改善生态环境的目标,体现了社会可持续发展意识和对人类生存环境的关怀.另外,从建筑创作研究的角度看,仿生与生态构思有相通之处,它们的过程和出发点相对于其他的构思方法或类型有自己的特点.

城口县17649129449： 仿生学建筑除了具有美丽奇妙和外观外还具有什么? - ？
元郊岑连： 现代仿生学建筑,一定具备环保,如自然通风( 蚁穴)、太阳能发电、废水处理,是仿生学建筑不但改观仿生,更有追求实用价值

城口县17649129449： 仿生学的例子 叶建筑 - ？
元郊岑连： 1947—1949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利(Nervi and Bartoli)设计的意大利都灵展览馆的巨形拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的,混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽93.6m,长75m.奈尔维和维特罗西(A.Vitelozzi)于1957年建造...

城口县17649129449： 关于仿生学 - ？
元郊岑连： 仿生学 是指模仿生物系统的原理来建造技术系统,或使人造系统具有生物系统特征或类似特征.也即是模仿生物建造技术装置的科学. 仿生学 一词是根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nic”(“具有……的性质”的意思)构成的. ...

城口县17649129449： 身边有那些建筑是根据“薄壳结构”的原理来建造的 - ？
元郊岑连： 就是像鸡蛋壳那样的,在受力均匀的情况下,鸡蛋壳虽然薄却不会碎,然后将这一原理用于建筑上,设计出的建筑物样式被称为薄壳结构,像清真寺的圆顶等都是的,浙江省体育馆也是.大坝,体育馆,歌剧院等大型建筑很多地方都用倒壳体结构.例子也是举不胜举呀. 东江大坝是我国自行设计建造的第一座双曲薄壳拱坝.坝高157米,顶厚7米,坝顶中心弧长438米,正常水位高程285米.大坝结构新颖,造型美观,气势雄伟,在世界同类坝型中排名第二,在亚洲居第一位.为景区内最为壮观的人文景观. 悉尼歌剧院,北京火车站,北京人民大会堂,国家大剧院都是的.