本期摘要

新型仿生材料的研究进展 作者：张文毓 单位：中国船舶重工集团公司第七二五研究所 河南洛阳471039 摘要：仿生学是一门多学科的交叉学科,它融合了生命科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等七大学科,材料的发展趋势是复合化、智能化、能动化、环境化,而仿生材料具有这几方面的特征。本文综述了新型仿生材料的研究动态、仿生材料合成领域研究新进展、新型仿生材料的未来前景。仿生材料目前的主要研究内容是仿照生物为适应内部与环境对其自身功能和结构的完美设计来构造生物材料的方法,用以制备生物相容的医用材料或性能优异的工程材料。仿生材料学涉及面如此之广,它的发展或成功将影响到社会的各个角落．     

离子聚合物人工肌肉材料应用研究进展

由于智能聚合物材料可以对多种物理量（如温度、 pH、离子强度、溶剂、压力、应力、光强、电场和磁场等等）的刺激发生响应,并在各种刺激下会产生较大的形变,因此可将智能聚合物材料用于仿生执行器,它是良好的人工肌肉材料。在本文中,着重介绍了这一领域的一些新的研究方向和研究结果,讨论了智能聚合物材料的特性及其实际应用,同时还介绍了人工肌肉的低温特性与在外空间环境下的潜在用途。     

碳纳米结构智能驱动材料研究新进展

在国家自然科学基金的支持下,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈韦课题组在碳管／石墨烯高浓度分散及液晶性取向结构调控研究的基础上,成功发展了高性能碳管和石墨烯柔性电极材料,重点研究了天然生物高分子／碳管／离子液体“三明治”复合结构的新型驱动器,同时实现了生物相容性、空气低压（〈3V）稳定电致伸缩、类天然肌肉驱动特性,     

基于应用于生物传感器的新型有机-无机杂化材料

制备了一种应用于生物传感器的新型有机-无机杂化材料,这种杂化材料由二氧化硅溶胶和聚乙烯醇接枝巯基乙酸组成。此杂化材料克服了普通溶胶凝胶容易脆裂的特点,杂化材料中的巯基可以与金原子形成牢固的配位键从而使杂化材料很好地附着在金电极表面。对杂化材料进行了红外光谱、石英电子微天平、原子力显微镜分析。为了检验杂化材料的应用效果,以此杂化材料作为包埋材料在金电极上制备了葡萄糖氧化酶电极。研究了此酶电极的响应速度和稳定性,结果表明此酶电极具有较快的响应速度(响应时间为2.2s)、较好的稳定性(响应电流在70d后衰减9.6%)。     

基于仿生概念的网电空域鲁棒性研究

阐述了网电空域研究工作中以仿生方式进行电磁防护研究的基本内容,对研究内容在整个仿生领域中予以定位。定义了网电空域的基本概念,分析了空间电磁环境的安全问题,建立了电磁防护仿生研究的表象级对等模型,提出并归纳了研究策略和实现基础。根据结构和功能的关系进行相应方案的规划,并结合生物鲁棒性的研究成果,在分级冗余基础上考虑鲁棒裕度设计,描述网络简并、功能梯度和旁路易化的特征。因此,使得网电环境下电磁防护的仿生构想在技术上成为可能。     

仿生机器人的研究

对国内外仿生机器人的研究和开发做了全面的综合概括和总结,从运动机理的建模、感知信息的处 理、控制计算的优化、能量代谢的效率和仿生材料的合成，分析了仿生机器人的关键技术问题，阐述了未来仿生机器 人的发展趋势与方向.􀁱 􀁽     

智能仿生算法在移动机器人路径规划优化中的应用综述

随着移动机器人应用领域的扩大和工作环境的复杂化,传统路径规划算法因其自身局限性变得难以满足人们的要求。近年来,智能仿生算法因其群集智慧和生物择优特性而被广泛应用于移动机器人路径规划优化中。首先,按照智能仿生算法仿生机制的来源,对应用于路径规划优化中的智能仿生算法进行了分类。然后,按照不同的类别,系统的叙述了各种新型智能仿生算法在路径规划优化中取得的最新研究成果,总结了路径规划优化过程中存在的问题以及解决方案,并对算法在路径规划优化中的性能进行了比较分析。最后对智能仿生算法在路径规划优化中的研究方向进行了探讨。     

生物传感器的研究进展综述

生物传感器是以固定化的生物成分(如,酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原)或生物体本身(如,细胞、微生物、组织等)为敏感材料,与适当的化学换能器相结合,用于快速检测物理、化学、生物量的新型器件。最初,以酶电极的生物传感器开始,逐渐扩展到多种技术,如,离子敏场效应管、光纤、声表面波、石英晶体谐振器及表面等离子体谐振技术将生物传感器的发展推向一个新的阶段。生物传感器在环境监测、医学研究、食品工业、发酵工业等领域已得到广泛应用。     

微型飞行器的仿生感知与控制

微型飞行器是无人机家族的新成员,它体小质轻的特点决定了它对所需传感器的质量、尺寸、能耗和性能有严格的限制,根据常规传感器已经很难设计出具有良好飞行性能的厘米级微型飞行器。一些学者根据飞行生物感觉器官的工作原理,设计了多种性能优异的仿生传感器。在概述了仿生传感器,特别是光流传感器的研究和发展现状基础上,分析了仿生传感器的研制所涉及的关键技术,讨论了它在微型飞行器控制中的应用前景     

生物视觉仿生在计算机视觉中的应用研究*

探讨了生物视觉仿生在计算机视觉中的应用,重点研究了鲎复眼、蝇复眼、人眼视觉及猫视觉皮层的仿生技术。结果表明,生物视觉仿生为计算机视觉的研究提供了可行和有效的途径。     

基于意会知识的机器人仿生体系结构研究

首先根据知识表征对现有体系结构分类,明确了意会知识在机器人体系结构研究中的地位。借鉴认知心理学、认知科学中的研究成果,给出基于程序记忆和情节记忆的仿生体系结构,并对该体系结构的各模块详细设计。该体系结构在不需要先验知识的情况下,完全利用经验获得智能行为,模仿了动物的认知过程,使机器人具备更好的实时学习能力和自适应能力。     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

Bioinspiration and emerging actuator technologies

Biological systems in nature went through long evolution process that led to highly effective and efficient systems with excellent performance. Biomimetics is an interdisciplinary scientific research focuses on making nature as new sources of inspiration to study, analyze and design of creative and efficient engineering systems supported by innovative technologies. Smart materials are the foundation supporting the development of creative bioinspiration. Wide ranges of biologically inspired systems have been developed. However, engineering such as biomimetic intelligent creatures was hampered by physical and technological constraints, and it is still a challenge. Actuators are essential elements within mechatronical systems due to their important role in motion control systems and hence there is a need to develop new trend of actuators that can be inspired from biological actuation systems in nature associated with different levels of control. Making intelligent creatures that are actuated by biologically inspired modern actuators and artificial muscles would create new reality with great potentials. This paper provides the concept of biomimetic as an interdisciplinary field, discusses the enabling technologies, and presents the main development and bioinspired and emerging actuator technologies.     

STAR: Visual Computing in Materials Science

Visual computing has become highly attractive for boosting research endeavors in the materials science domain. Using visual computing, a multitude of different phenomena may now be studied, at various scales, dimensions, or using different modalities. This was simply impossible before. Visual computing techniques provide novel insights in order to understand complex material systems of interest, which is demonstrated by strongly rising number of new approaches, publishing new techniques for materials analysis and simulation. Outlining the proximity of materials science and visual computing, this state of the art report focuses on the intersection of both domains in order to guide research endeavors in this field. We provide a systematic survey on the close interrelations of both fields as well as how they profit from each other. Analyzing the existing body of literature, we review the domain of visual computing supported materials science, starting with the definition of materials science as well as material systems for which visual computing is frequently used. Major tasks for visual computing, visual analysis and visualization in materials sciences are identified, as well as simulation and testing techniques, which are providing the data for the respective analyses. We reviewed the input data characteristics and the direct and derived outputs, the visualization techniques and visual metaphors used, as well as the interactions and analysis workflows employed. All our findings are finally integrated in a cumulative matrix, giving insights about the different interrelations of both domains. We conclude our report with the identification of open high level and low level challenges for future research.     

面向材料科学研究的新型高性能计算平台系统

高性能计算集群作为保证国家科研开展的“基础设施”已上升为国家战略。高性能计算应用广泛,特别在材料科学研究方面,是必不可少的工具。当下为科学计算用户提供高质量的远程化、可视化、图形化的高性能计算平台成为当前高性能服务研究的突破口。本文提出基于材料科学研究的新型高性能计算平台系统,该系统基于Java语言开发,采用B/S架构为用户提供服务,实现主流材料科学研究的计算软件与平台的整合,设计友好的用户操作界面,提供方便的接入方式,并结合OpenPBS优化作业调度方法为平台用户提供优先级更高的计算需求,保证材料科研应用中更高效的计算资源。     

仿生眼的研究现状与发展趋势

首先,在分析人眼眼球运动的特点和形式的基础上,详细介绍了国内外仿生眼研究对扫视性眼球运动、平滑性眼球运动、异向眼球运动、前庭动眼反射、视动反射等的模仿,最后总结了仿生眼研究的特点和发展趋势．     

The Impact of Differentiated Instructional Materials on English Language Learner (ELL) Students’ Comprehension of Science Laboratory Tasks

Abstract

Through a qualitative research design, this article investigates the impacts of differentiated laboratory instructional materials on English language learners’ (ELLs) laboratory task comprehension. The factors affecting ELLs’ science learning experiences are further explored. Data analysis reveals a greater degree of laboratory task comprehension when utilizing language-modified and visually modified laboratory instructional materials. The findings suggest the further development of linguistically appropriate science course materials. This study also indicates that teachers must consider the sociopsychological influences affecting the individual ELL in order to better facilitate science learning.     

计算机在材料科学中的应用

介绍计算机技术在材料科学研究中应用领域。探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。