微/纳米生物摩擦学:大自然的选择 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:机械工业出版社

作者:M.谢尔格

出品人:

页数:272

译者:李健

出版时间:2004-7-1

价格:35.0

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111144922

丛书系列:

图书标签:

科普
科学前沿
微纳米摩擦学
生物摩擦学
仿生学
表面效应
材料科学
生物材料
界面科学
纳米技术
摩擦学
大自然

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具体描述

本书以生物的摩擦、粘附及其润滑为中心，基于生物体材料的流变性质，阐述了摩擦行为及其与结构、材料等生物学特征之间的相关关系。同时，介绍了微／纳米摩擦学的基本原理和知识，侧重从摩擦与粘附两方面研究了生物摩擦系统。本书以相当的篇幅系统地介绍相关的试验设备、测试与试样制备技术和研究实例，引用了大量的参考文献，有较强的知识性和适用性。

本书对从事摩擦学、材料学仿生技术以及微机器人和微机电系统等的研究人员有重要的参考价值。也可供大学、研究生作为参考教材。

微/纳米生物摩擦学：大自然的选择摘要微/纳米生物摩擦学：大自然的选择深入探索了生物体在微观和纳米尺度上如何利用摩擦力与表面相互作用来优化其生存策略。本书聚焦于自然界中普遍存在的摩擦学现象，解析了从昆虫的附着机制到海洋生物的润滑策略等一系列复杂生物系统背后的物理原理和工程学设计。通过跨学科的视角，结合生物学观察、先进的测量技术与理论建模，本书揭示了生物体如何在极端环境中实现高效运动、稳固附着与低能耗润滑的“设计智慧”。内容涵盖了硬质组织与软组织表面的结构特性、粘附与摩擦力的动态调控、以及这些原理在仿生材料科学与工程领域的潜在应用。 --- 第一章：引言：从宏观到微观的摩擦学转变摩擦力，作为一种普遍存在的阻碍相对运动的力，在宏观世界中往往被视为效率的敌人。然而，当我们深入到微米和纳米尺度时，摩擦力的角色发生了根本性的转变。生物体，作为经过数亿年自然选择的优化产物，已经将摩擦学原理融入其生存的方方面面。本章首先建立一个基础框架，阐述宏观摩擦学定律在生物界面上的局限性，并引出研究微/纳米生物摩擦学的必要性。我们将探讨尺度效应如何改变表面能、接触面积的真实性以及润滑机制的有效性。重点讨论当前研究面临的挑战，即如何在高保真度下测量活体生物表面的摩擦特性，以及如何将这些复杂的、动态的相互作用解耦为可分析的物理模型。 --- 第二章：生物表面结构与形貌学：摩擦力的塑造者摩擦力的本质深刻依赖于相互接触表面的形貌和化学组成。本章将系统地考察生物体表面在微纳尺度上的精细结构，这些结构被称为“生物摩擦调控器”。 2.1 昆虫足部的微纳结构：详细分析壁虎脚垫（setae和spatulae）的层级结构如何通过范德华力实现可控的粘附与释放。研究表明，这些结构不仅是实现高强度粘附的关键，同时也是在不同表面上实现摩擦力动态调节的基础。我们将讨论其摩擦系数在不同剪切方向上的各向异性特征。 2.2 湿滑表面的润滑机制：探讨水生生物和两栖动物皮肤表面的微观乳突、微沟槽或粘液层如何影响摩擦力。重点分析黏液作为一种非牛顿流体，在降低摩擦（如游泳、滑行）或增强摩擦（如捕食）过程中扮演的角色。这包括对不同分泌物粘弹性、剪切变稀特性及其与基底材料相互作用的深入剖析。 2.3 硬质组织表面的抗磨损策略：考察骨骼、牙釉质和甲壳类外骨骼等硬质生物材料在长期运动和接触中表现出的优异抗磨损性能。分析其纳米晶体与有机基质的复合结构（如“砖泥结构”）如何在微观层面实现裂纹偏转和能量耗散，从而维持长期的摩擦性能稳定。 --- 第三章：动态粘附与摩擦力的调控：活体的“开关” 生物体很少依赖单一、恒定的摩擦力；相反，它们需要根据环境和任务需求实时调控摩擦力。本章聚焦于生物体主动或被动实现摩擦力动态变化的过程。 3.1 能量耗散与摩擦学：深入研究生物体如何通过分子运动、构象变化或液体排出机制来有效耗散能量，从而控制摩擦阻力。例如，某些微生物在运动中通过改变细胞壁的柔韧性或分泌物粘度来实现对环境阻力的最小化。 3.2 湿润度与表面张力的作用：讨论水、体液和生物界面张力如何影响微纳尺度的接触力学。在湿润环境中，表面张力常常成为决定接触面积和粘附强度的主要因素。我们将分析不同物种如何利用疏水性或亲水性表面来管理界面的水膜厚度，以达到最优的摩擦学性能。 3.3 神经-肌肉控制的摩擦反馈：探讨高等生物（如灵长类动物的指尖）如何通过神经系统精细调控接触压力和剪切速率，从而实现对摩擦力的精确控制。这不仅仅是简单的力学反馈，更涉及皮肤的微观形变和汗液腺的激活。 --- 第四章：特殊生物界面摩擦学：极端环境下的生存法则本章关注在极端或特定生物学功能驱动下的独特摩擦学现象。 4.1 生物“超润滑”系统：研究关节软骨、腱鞘等部位的润滑机制。重点分析蛋白多糖凝胶、透明质酸等生物聚合物在约束水分子后的超低摩擦特性（摩擦系数可低至 $10^{-3}$ 级别）。这涉及到对边界润滑、流体动力润滑以及“边界吸附”机制的交叉分析。 4.2 植入与共生界的摩擦：讨论生物材料与外界异物或共生体接触时的摩擦学问题。例如，病原体在宿主组织上的附着与迁移过程中的摩擦学考量，或者寄生虫如何利用低摩擦表面避免被宿主免疫或运动机制清除。 4.3 种子萌发与土壤相互作用：从生态学的角度审视植物根系在土壤颗粒间的生长过程。根尖的力学特性和分泌的粘性物质如何优化它们在不同土壤硬度下的推进力和摩擦阻力，以最小化生长能耗。 --- 第五章：仿生摩擦学：从自然到工程学的转化理解自然选择的摩擦学智慧是推动新一代材料科学发展的关键。本章将回顾和展望如何将生物学原理转化为具有实际应用价值的工程解决方案。 5.1 仿生表面设计：介绍如何模仿壁虎、贻贝或莲叶的微纳结构来设计可回收胶带、防滑材料或自清洁表面。重点讨论结构化表面在干燥和湿润环境下的摩擦学性能差异。 5.2 摩擦学在医疗器械中的应用：探讨如何利用生物润滑机制来减少植入式医疗设备（如人工关节、导管）与体内组织的摩擦和磨损，从而延长器件寿命并减少炎症反应。 5.3 微流控与摩擦调控：展望利用可切换的摩擦表面来控制微流控芯片中液滴或微粒运动的潜力，实现更精确的生物分析和药物输送系统。 --- 结论与未来展望本书总结了微/纳米生物摩擦学作为一门新兴交叉学科的成就，并强调了从生命系统中汲取灵感的长期价值。未来的研究方向将集中于开发更高精度的原位（in situ）测量技术，以捕捉活体生物摩擦过程中的瞬态变化，并利用人工智能和机器学习工具来解码复杂生物界面上数百万个接触点的集体行为。最终目标是实现对摩擦力在生命系统中作用的全面、动态的理解，并将其转化为可持续和高效的工程创新。