生物摩擦学与仿生摩擦学的研究现状及展望.pdf

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1、第4卷第2期南阳理工学院学报Vol．4No.22012年3月JOURNALOFNANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGYMar．2012生物摩擦学与仿生摩擦学的研究现状及展望1，212解芳，张林先，刘佐民(1．南阳理工学院河南南阳473004;2．武汉理工大学摩擦学研究所湖北武汉430070)摘要:在物竞天择的进化过程中，生物体形成了许多优异的摩擦学特性，并已成为仿生摩擦学的创新源泉。本文对生物摩擦学的研究对象、研究内容进行了总结与展望;并从仿生减摩及脱附、仿生增摩及吸附、仿生耐磨材料和仿生润滑等4个方面回顾了仿生摩擦学

2、的研究现状，指出了仿生摩擦学的发展方向;并探讨了生物摩擦学与仿生摩擦学的内在联系。关键词:摩擦学;生物摩擦;仿生学英国Dowson和Wright教授于1973年提出了生0前言物摩擦学(biotribology)的定义，指出凡是与生物系统［3］相关的摩擦学问题都属于生物摩擦学的研究范畴。摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、目前，生物摩擦学的研究对象主要包含生物体的内润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的部器官和外部表皮组织两大部分，如图1所示。［1］一门边缘学科。自从1966年，英国H．PeterJost教授在著名的JOST报

3、告中首次提出了摩擦学(Tri-bology)的概念以来，摩擦学得到了长足的发展，特别是近年来生物摩擦学与仿生摩擦学的研究已成为摩擦学领域的研究热点，并取得了显著的成就。1生物摩擦学研究现状及展望1．1生物摩擦学研究现状生物体在35亿年的物竞天择的进化过程中，为图1生物摩擦学研究对象关系图了适应生存环境，形成了许多优异的生物摩擦学特而生物摩擦学的研究内容主要集中于以下两性，如人体关节液对关节的运动起到了润滑的作用;方面:天然牙齿表面的釉质具有良好的耐磨性;荷叶的自(1)研究天然生物系统内部器官和外部表皮组清洁功能使其“出淤泥而不染”;土

4、壤类动物(如蚯织特有的生物摩擦学性能，认识其摩擦、磨损和润滑蚓)表面分泌的特殊液体，可以减小其在土壤中的机理，掌握生物体适应摩擦学的行为规律。运动阻力;壁虎、苍蝇等动物脚底板的超细绒毛结构其中对生物系统内部器官的摩擦学性能研究主具有极强的吸附和脱附能力;鸟类的翅膀形状和羽要是针对人体展开的。如心脏和血管中血液的流动毛结构有利于减小飞行时的空气阻力;鲨鱼皮的特和冲蚀;天然牙齿的构造与磨损;滑液关节(包括髋殊结构可以有效降低海水阻力;蛇类表皮的摩擦各关节、膝关节、踝关节、指关节、颞下颌关节等)的润向异性驱动蛇类呈S形蠕动;贝类生物的外壳具

5、有滑机理;脊椎的受力变形;骨骼的多孔状结构与应力杰出的力学性能;木材及竹材的特殊结构可以减小［4－6］集中等。通过对这些天然生物内部器官的摩擦磨损，等等。这些生物特有的优异摩擦学特性引起学性能的研究，为人工器官和生物材料的研制和应了人们极大的研究兴趣，生物摩擦学作为摩擦学的用指明了道路。一个重要分支，其研究对象正在从宏观向微观、从人［2］而对生物系统外部表皮组织的研究最初主要集体向其它生物体迅速扩展。基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075311)作者简介:解芳(1981－)，女，博士，副教授，主要研究方向:摩擦学理论及其工业应

6、用。E-mail:xiefang811222@163．com·82·南阳理工学院学报第4卷中于人体的皮肤、头发和眼睛。通过研究头发的表1．2生物摩擦学展望面形态以及摩擦性对头发的梳理性、顺滑性和美发生物摩擦学是组织摩擦学、材料学、生物学、医护发品的适用性的影响，为研制优质洗发水、护发素学高度交叉融合的新型学科，对生物摩擦学的深入奠定摩擦学基础。而研究眼睛的生物摩擦学行为对研究是科技造福人类的重要需求。然而，目前我国研制低摩擦系数、具有生物舒适性的隐形眼镜具有在生物摩擦学的基础研究和技术创新方面与国外相借鉴意义。此外，人体皮肤具有新陈代

7、谢的特性，在比尚有较大差距。例如，性能最好的人工关节、人工摩擦过程中具有自我适应和自我修复能力。控制皮心脏、心脏瓣膜、人造皮肤等几乎全部从国外进口，肤摩擦是降低手脚摩擦损伤、提高衣着舒适性和假不仅价格昂贵，增加了患者的经济负担，而且国外进肢适用性以及开发高品质护肤品的重要基础。口人造器官是根据国外人体特征设计的，是否完全近年来，有学者开始关注除人体以外其他生物适用于国人还值得商榷。表皮组织的摩擦学特性，如通过考察各种生物表皮作为摩擦学领域内一个正在迅速发展的重要分的微观结构及其摩擦学性能，研究蛇类皮肤的耐磨枝，生物摩擦学的研究不仅对保

8、障人体健康和提高性和疏水性;蚯蚓体表的润湿性及其减粘脱土机理;生命质量具有重要影响，而且为生物摩擦学的仿生壁虎趾底刚毛的动态吸附性;荷叶表面的“自清洁奠定了不可或缺的理论基础。为此，大力开展以研［7－8］效应”等。这些研