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1 绪论&冯西桥 赵红平1

1.1 生物材料1

1.1.1 生物材料的特点1

1.1.2 生物材料的分类2

1.2 生物材料力学4

1.2.1 生物材料力学的定义4

1.2.2 生物材料力学的发展历史4

1.3 生物材料力学的研究内容4

1.3.1 生物材料多尺度力学5

1.3.2 生物材料表界面力学7

1.3.3 运动生物力学7

1.4 仿生力学8

1.5 发展展望10

1.6 本书内容简介11

参考文献11

2 生物复合材料断裂力学&季葆华 王帆15

2.1 生物复合材料概述15

2.2 拉伸－剪切链模型19

2.3 纳米尺度的断裂行为21

2.3.1 纳米条带的断裂强度和缺陷不敏感行为21

2.3.2 纳米薄板的缺陷不敏感行为26

2.3.3 含中心或双边裂纹纳米条带的缺陷不敏感行为28

2.4 矿物质晶体长细比的影响30

2.5 珍珠母断裂的桥联模型31

2.5.1 桥联模型31

2.5.2 矿物质桥联的增韧效果33

2.6 蛋白质基质的作用35

2.7 蛋白质－矿物质界面37

2.7.1 蛋白质与矿物质界面强度研究37

2.7.2 界面裂纹萌生的模拟研究38

2.8 多级结构的作用40

2.8.1 自相似多级结构模型40

2.8.2 多级结构的断裂损伤模型42

2.9 新型仿生纳米复合材料43

2.10 总结及展望44

参考文献45

3 生物多梯度浸润性界面与仿生&郑咏梅51

3.1 两种基本梯度——形状梯度以及表面能梯度51

3.1.1 形状梯度51

3.1.2 表面能梯度52

3.2 生物表面的梯度特征与功能52

3.2.1 润湿蜘蛛丝的方向集水性53

3.2.2 超疏水蝴蝶翅膀的方向性黏附56

3.2.3 微液在荷叶表面动态悬浮和微纳米结构润湿性梯度60

3.2.4 荷叶叶缘限流64

3.2.5 沙漠甲虫取水68

3.2.6 水黾腿的疏水结构70

3.2.7 水鸟啄食的毛细棘轮效应71

3.3 典型梯度表面的可控制备71

3.3.1 倾斜几何梯度表面的制备72

3.3.2 曲率粗糙梯度纤维的制备81

3.3.3 图案化梯度表面的制备90

3.3.4 多尺度超疏水表面的制备92

3.3.5 超顺磁阶梯疏水表面的制备95

3.3.6 非对称的纳米结构表面的制备97

3.4 小结98

参考文献98

4 蜂窝力学&王建祥 张凯101

4.1 天然蜂窝的宏观结构及形成机制102

4.2 天然蜂窝的多级微观结构107

4.3 天然蜂窝材料和结构的多尺度力学特性112

4.3.1 蜂蜡和蜜蜂丝的力学性能112

4.3.2 蜂窝孔壁等效力学性能116

4.3.3 蜂窝整体剪切性能120

4.3.4 蜜蜂丝力学性能122

4.4 天然蜂窝结构力学性能理论计算及有限元分析126

4.4.1 天然蜂窝结构变形和温度影响的有限元分析127

4.4.2 不同温度下天然蜂窝等效力学性能的理论分析130

4.5 天然蜂窝的新型仿生设计136

4.6 结语137

参考文献138

5 生物微针与仿生&马国军 吴承伟141

5.1 人造微针概述142

5.2 人造微针相关力学问题研究144

5.2.1 微针刺入皮肤过程的力学行为研究144

5.2.2 微针输药效率及疼痛方面的研究148

5.3 生物微针研究进展150

5.3.1 蚊子口针150

5.3.2 蜜蜂和胡蜂的尾针154

5.3.3 毛虫刚毛158

5.4 仿生微纳锯齿针／刀162

5.5 结束语165

参考文献165

6 蜻蜓翅膀的结构与仿生&仲政169

6.1 蜻蜓翅膀的基本形貌169

6.2 蜻蜓翅膀的微观结构171

6.2.1 实验仪器和方法172

6.2.2 实验结果分析172

6.3 蜻蜓翅膀上的血液循环178

6.3.1 昆虫翅膀上血液循环概述178

6.3.2 血液对蜻蜓翅膀惯性性质的影响179

6.3.3 血液循环与蜻蜓翅膀的扭转185

6.3.4 小结188

6.4 结语188

参考文献189

7 壁虎黏附力学与仿生&彭志龙 陈少华191

7.1 壁虎黏附的微观力学机制193

7.1.1 单根刚毛的黏附行为193

7.1.2 多级结构的黏附行为197

7.2 壁虎微观黏附机制的主要影响因素199

7.2.1 基底粗糙度的影响199

7.2.2 环境相对湿度的影响及壁虎在水环境中的黏附行为201

7.2.3 预应力的影响207

7.2.4 黏弹性的影响208

7.2.5 纤维末端形状的影响208

7.3 仿生设计及应用211

7.4 结语216

参考文献216

8 壁虎运动力学与仿生&王周义 戴振东221

8.1 动物运动反力和运动行为的测试221

8.1.1 测试系统的组成221

8.1.2 力测试阵列（FMA）测得的三维运动反力223

8.1.3 力测试平台（FMP）测得的三维运动反力224

8.1.4 两种装置测得运动反力的比较225

8.2 壁虎在倒置面、竖直面和水平面的运动反力模式226

8.2.1 典型表面运动的力学数据处理226

8.2.2 典型表面的运动反力228

8.2.3 力学模型与分析232

8.2.4 运动反力的新表达方法235

8.3 对仿生壁虎机器人设计的启示236

参考文献237

9 昆虫弹跳力学&万超 郝智秀241

9.1 飞蝗半月结构的微观结构研究242

9.2 飞蝗半月结构的力学性能研究244

9.3 飞蝗半月结构的成分研究247

9.4 飞蝗半月结构储能机制的有限元模拟研究251

9.4.1 飞蝗半月结构有限元模型的建立251

9.4.2 结果及讨论254

9.5 总结258

参考文献258

10 啄木鸟头部抗震机制&王丽珍 倪义坤 卢珊 樊瑜波261

10.1 国内外关于啄木鸟抗震机制的研究现状261

10.2 啄木鸟抗冲击性机理研究267

10.2.1 啄木鸟的头部解剖学观察267

10.2.2 啄木鸟头部运动学和动力学分析270

10.2.3 颅部及喙部结构的材料学特征分析275

10.2.4 啄木鸟头部有限元分析280

10.3 啄木鸟抗冲击性机制应用281

10.4 结论282

参考文献283

11 生物表面微流动与仿生制造&陈华伟 张鹏飞 张力文 张德远285

11.1 生物表面液体搬运行为超湿滑表面285

11.1.1 猪笼草口缘结构与功能表征285

11.1.2 仿生微流动超湿滑表面面构设计294

11.1.3 仿生超湿滑仿生表面制造296

11.1.4 仿生超湿滑表面的应用298

11.2 生物表面微流动摩擦行为表征304

11.2.1 树蛙脚掌表面及摩擦行为表征304

11.2.2 仿生微流动摩擦面构设计308

11.2.3 仿生摩擦面构仿生生物制造317

11.2.4 仿生微流动摩擦表面的应用317

参考文献319

索引323