本文件为仿生材料、仿生结构、仿生表面、仿生构件以及仿生制造技术的开发提供了框架。本文件详细阐述了生物系统的原理，并特别阐述了生物原型材料、结构、表面、构件的性能，以及为仿生方法提供动机和原因的制造技术。同时，本文件详细说明了基于对生物系统进行分析的类比、提取方法。基于仿生材料、结构、表面、构件和制造技术的几个范例来描述从生物到技术的转化过程。本文件描述了能体现仿生材料属性特征的测量方法和参数，为关于仿生材料、结构、表面、构件及其工程中的相关制造技术提供信息支撑。本文件还涉及了由材料、结构、表面、构件的基础开发而引出的仿生学子领域，以及随之而来的相关制造技术中更为宽泛的创新。本文件为所有开发、设计、制备或应用仿生材料、结构、表面、构件及其制造技术的人员提供了指导和支持。

ICS07.080
CCS A 40
中华人民共和国国家标准國
GB/T42441—2023/ISO18457:2016仿生学
仿生材料、结构和构件
Biomimetics-Biomimetic materials,structures and components(ISO18457:2016,IDT)
2023-03-17发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-10-01实施
1范围
2规范性引用文件
3术语和定义
4缩略语
5生物原型材料
5.1特性
6仿生材料和构件的开发方法
原型分析
与应用对象类比
6.3特征抽象提取
6.4仿生材料选择
7仿生材料、结构和构件产业应用需求目
附录A（资料性)材料仿生、结构和构件范例A.1概述
源于生物灵感的聚合物
类珍珠壳仿生微纳结构
类珍珠壳的干预颜料
自锐工具
植物茎秆仿生技术
骨科整形螺钉
材料与构件的仿生制造技术
结构色
减反射结构
制造自洁塑料构件的创新工艺
附录B（资料性）分析方法
B.1分析方法概述
B.2生物和仿生表面的测量与表征方法参考文献
GB/T424412023/ISO18457:2016
GB/T424412023/ISO18457:2016
本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件等同采用IS018457:2016《仿生学仿生材料、结构和构件》请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出并归口。本文件起草单位：北京机械工业自动化研究所有限公司、吉林大学、奥精医疗科技股份有限公司。本文件主要起草人：秦修功、张志辉、张宝玉、张清泉、江月、于征磊、尹作重、高雪芹、邵艳龙、王书鹏、任露泉、姜江、孙逊、唐聪、杜已超、聂子临、仇志烨。Ⅲ
GB/T42441—2023/IS018457:2016引言
技术性解决方案和产品的不断复杂化需要有新方法的出现。传统意义上的研究和开发方法及创新途径往往具有其局限性，尤其在材料、结构和构件的开发和优化过程中。正确识别适当的生物原理并应用仿生理念将其转移到技术应用中，可以为开发出具有功能性、适应性、有效性（就资源而言)和安全性(就对人类和环境的毒害性方面而言)的材料、结构、构件和制造工艺做出重要的贡献。IV
1范围
GB/T424412023/ISO18457:2016
仿生学仿生材料、结构和构件
本文件为仿生材料、仿生结构、仿生表面、仿生构件以及仿生制造技术的开发提供了框架。本文件详细阐述了生物系统的原理，并特别阐述了生物原型材料、结构、表面、构件的性能，以及为仿生方法提供动机和原因的制造技术。同时，本文件详细说明了基于对生物系统进行分析的类比、提取方法。基于仿生材料、结构、表面、构件和制造技术的几个范例来描述从生物到技术的转化过程。本文件描述了能体现仿生材料属性特征的测量方法和参数，为关于仿生材料、结构、表面、构件及其工程中的相关制造技术提供信息支撑。
木文件还涉及了由材料、结构、表面、构件的基础开发而引出的仿生学子领域，以及随之而来的相关制造技术中更为宽泛的创新。本文件为所有开发、设计、制备或应用仿生材料、结构、表面、构件及其制造技术的人员提供了指导和支持。2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仪该日期对应的版本适用于木文件：不注日期的引用文件，其最新版木（包括所有的修改单）适用于木文件。
GB/T42444—2023仿生学术语、概念与方法论(ISO18458:2015,IDT）3未语和定义
GB/T42444—2023界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
适应性adaptivity
适应不同环境条件的能力。
效率efficiency
系统有用输出和所有输入之间的关系。3.3
生产制造工艺generativemanufacturingprocess三维构件的生产制造工艺，如材料的逐层成形。注：这些技术可用在四种不同制造等级：概念模型(增材制造)：机械载荷不可应用到这些模型中，这些模型只能起到提供一种三维视觉的作用；功能模型（增材制造）：这些模型具有与之后用于大规模生产的构件相类似的属性：工具(快速模具制造)：与其他制造工艺相结合而制造的模具；小批量生产(快速制造)：对应于必需且实用属性的三维模型成形。3.4
梯度过渡gradienttransition
逐渐过渡gradual transition
GB/T 42441—2023/ISO18457:2016化学、物理或力学属性的持续变化，具有方向性。注：就物理和力学属性而言，生物材料往往具有逐渐过渡的特征，这些特征是通过其在多种多样层次中的结构变化而实现的。
兼容性compatibility
环境中一个物质流或一种技术的再循环性和适应性。3.6
模块化modularity
源于单个模块的一个整体系统的构成。3.7
多功能性multifunctionality
一种材料与部件的结构和属性使生物体拥有几个必要功能，或技术上有望得以高水平地实现并处于平衡状态。
穴余度redundancy
具有功能方面相似的系统，凭借单一系统足以维持相应的功能（系统的多重性)3.9
可恢复-容错性resilience-faulttolerance个系统在外力作用下的耐受性或功能恢复的能力。3.10
Self-x属性 self-X property
存在于材料中或表面上的属性与信息不需特殊控制就可自动延续其过程注：Self-x属性在生物材料和表面中十分普遍，且在移植至技术产品方而具有重要意义。范例包括自组织性、白组装性、白修复性、白愈合性、白洁性和白锐性。3.11
立构规整性stereoregularity
立构规整度tacticity
聚合物链分子结构的特定几何规律性。注1：具有相同化学成分的大分子材料由于其原子和原子团的空间排列不同而具有显著不同的机械性能。在化学生产技术中，聚合物链的分子几何形状在聚合过程中由所选的反应温度和所用的催化剂决定。注2：自然界中的一个典型范例是聚异戊二烯，它可以是有弹性的（天然橡胶），也可以是硬的（橡胶、古塔胶）4缩略语
下列缩略语适用于本文件。
AES：俄歇电子能谱(AugerElectronSpectroscopy）AFM：原子力显微镜（AtomicForceMicroscope）CT：计算机断层扫描(ComputerTomography）DSC：差示扫描量热法(DifferentialScanningCalorimetry）DTA：差热分析法(DifferentialThermalAnalysis)GC：气相色谱法(GasChromatography）GC-MS/MS：气相色谱-串联质谱法(GasChromatography-tandemMassSpectrometry）GPC：凝胶渗透色谱法(GelPermeationChromatography）2
GB/T42441—2023/ISO18457:2016HPLC：高效液相色谱法(HighPerformanceLiquidChromatography）IR：红外光谱法(InfraredSpectroscopy)LC-MS/MS:液相色谱-串联质谱法(Liquid Chromatography-tandemMass Spectrometry）MALDI-MS:基质辅助激光解吸/电离质谱(MatrixAssistedLaserDesorption/Ionization-MassSpcctromctry)
NMR：核磁共振(NuclearMagneticResonance)OM:光学显微镜(Optical Microscope)SEM:扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)SEM-EDS：扫描电子显微镜-能量色散光谱(ScanningElectronMicroscopy-EnergyDispersionSpectroscopy)
SIM：结构照明显微镜(StructuredI1luminationMicroscopy）SIMS：二次离子质谱(SecondaryIonMass Spectrometry)SPM：扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope）TEM：透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope)TOF-SIMS：飞行时间二次质谱(Time-of-FlightSecondaryMassSpectrometry）UVVIS:紫外可见光谱仪(UltraViolctVisible)）XPS:X射线光电子能谱(X-rayPhotoelectron Spectroscopy)XRF:X射线荧光分析(X-rayFluorescenceAnalysis)5生物原型材料
5.1特性
5.1.1概述
材料和结构这两个术语有时在生物学和工程技术领域中分别具有不同的含义。典型的技术材料往往被认为是均质的，所以在计算和制造中理所当然地假设模型具有各向同性的属性。技术材料的性能几乎取决于化学成分，而生物原型材料的性能则取决于结构并且几乎都是复合性材料。由于其从分子层面到宏观层面都具有层级性结构，因此在生物学领域难以清楚地区分“材料”和“结构”这两个术语。鉴于此，“材料”一词在下文中作为所有具有各种结构的生物原型材料的概括性术语使用。
与仿生实施相关的生物原型材料的特性如表1所示。表1生物原型材料的特性
多功能性
层级结构
耐受性和容错性(恢
复和再生）
生物案例
木材：集成了水分运输、强化、阻生物材料往往具有多重判据优化及高功能密度，它们往往尼、存储等功能
木材：至少五个层级结构，从细胞壁的分子结构到树干结构
骨骼：足够的断裂强度，阻止裂纹萌生和扩展
可将有可能相互矛盾的功能结合在一起生物材料分层结构的特点：同一层级的结构或(生物)化学特征的变化使其具备对其他层级结构独特的适应性。这种贯穿层级的适应性允许各种不同功能的存在生物材料在整体失效前具备高度的抵抗损坏的能力3
GB/T424412023/ISO18457:2016
表1生物原型材料的特性(续）
Self-x
适应性
兼容性
模块化
根据需要衍变的生
命周期
逐渐过渡
物尽其用(利用现有
资源）
温和的环境条件
生物案例
橡胶树：自修复性
啮齿动物牙齿：自锐性
叶片表而：白清洁性
骨骼：荷载适应性
植物运动：向性运动和趋向性
植物细胞壁：儿乎完全由碳、氧和氢组成
器官组织：由儿个不同组织组成树：树叶脱落
许多生物材料，如植物茎（纤维/基质组织转变)，长骨(如皮质
骨/松质骨的过渡)，骨骼/腱/肌肉过渡
许多生物材料，例如叶片表面的自清洁功能：通过基因编码调控的表面结构自组装蜡质分子
光合作用：利用太阳能
酶：在环境温度下进行催化
生物材料在无需外力的情况下，具备再生和维持其复杂功能的能力
生物材料可以通过改变形状或通过增长和重新调整结构应对环境条件的改变
生物生存或生长的产物具有可利用或可降解性。生物的代谢产物儿乎没有污染物，而实际生物代谢产物都是可降解和回收利用的
在不同层级重复相同的基本单元通过更新对重要属性进行维护。在生命周期内，单个个体自行运转，且个体自我更新
避免不同性能间的突发转变以增加寿命和提高耐损伤性生物材料和生物休的生长通过基因控制进行自组织。生命有机体由分了、细胞器、细胞、组织和器官形成，即由小到大地增长而成
生物学中，局部可用一些主要的元素成分进行合成，且这些元素会大量使用（碳、氢、氧、氮、硫、钙、磷、硅）可使材料在低环境温度下进行充分地转化5.1.2生物原型材料：多功能性、耐受性、模块化和适应性表1列举的生物材料特性可划分为性能和制造特性两类。生物材料的属性包括多功能性、耐受性和容错性、Self-X属性、适应性及模块化等。制造特性是生物材料能力的更高级的范例，如生物生长，指通过基因控制从分子层面到活体组织的自组织，以及在温和环境条件下以资源为导向的构建过程。此外，生物材料具有有限的生命周期。当其有机体死亡后，它们几乎可以完全分解并回归到天然材料的循环周期中去。在技术系统的整个“寿命周期”应用中，这种属性在仿生学研究和项目开发中极具吸引力。树于既是自然界一个多重判据下优化的生物例证，其许多彼此间有时相互冲突的功能却可以同时得以实现而且具有很高的可靠性。树干综合了许多机械稳定性以抵抗各种载荷（如树干和树冠的自重，以及风、雪所带来的外部载荷），其机械稳定性源自水分运输功能、产物的代谢和存储功能以及光合作用的结合。
生物体的另一特征是它们拥有针对变化的环境条件的适应能力（即适应性），从而使得它们具备强大的生存能力。在此还应提到的是，生物材料不仅具备极高的耐受性以抵抗损坏，而且拥有可以快速而有效地对损伤进行修复的能力。这种生物体的白修复和白适应能力对仿生学的开发具有特殊的意义-2J。
5.1.3技术构件：适应能力有限的单功能性、持久性GB/T 42441—2023/ISO 18457:2016技术构件的开发和优化往往聚焦于一种单一的主导功能。然而，在技术系统的开发中常常要满足其他许多边界条件和约束性，例如在车辆的技术构件开发中，技术构件有限的设计空间、多种荷载、附加构件的连接、加工工艺方法、构件连接限制以及有限的开发时问等。这些约束条件通常会造成为了寻求折中性解决方案或超大尺寸的构件而导致不理想结果的出现。构件通常基于材料进行制造，也就是说，在制造中通过在大的毛坏上下料制成小的零件，这些零件通常不具有适应性或自修复性。一个部件的耐用性一旦超出其正常寿命就有可能出现问题，且往往很难再将其返回到初始材料的几何形状的循环周期中去。
生物体可以通过不断地实施其功能以确保其生存和成功繁殖，然而机器却需要停止运转才能进行维护、维修或重构。这样一来，就有可能针对机器构件的某一具体功能以及所有的资源、材料和技术(如金属加工和硅技术中的高温工艺)进行快速的优化。与进化过程相比，上述优化条件大大缩短了开发周期，而且有时甚至可以对传统技术进行新技术的完全取代(例如数字化技术替代模拟技术)。这些差异导致了生物进化和人类技术在经历相同的物理定律和共享相同物理环境下，一些情况下面对同样的问题仍然会有非常不同的解决方案-3。5.2性能
生物系统的性能多种多样。表2列出了151种生物系统的实例4J，并将生物系统的性能总结为8类：
a）材料；
b）过程；
c)Self-X:
传感器；
e）流体动力学；
f）节能/节源；下载标准就来标准下载网
g）对环境适应性
h）行为/生态保护。
分类中涵盖了56种具体范例。表2概括了43种预期的应用领域，用以综述相关生物系统的性能这些生物表面所特有的有趣的性能预期会在众多新技术开发中具有很大的潜力，例如光学、减反射、润湿性、黏附、流体动力学、表面张力、自组织性、自洁性、提升性、流体阻力及摩擦控制。一些仿生产品开发的实例在附录A中进行介绍。表2各生物系统性能及可能的潜在应用分类序号
a）材料
光学、减反射、结构色、
轻量化结构
润湿性
生物实例
蝴蝶形态（见A.9)、蛾眼（见A.10）、蓝珊瑚鱼、竹芋、鱼鳞（见A.4)
蛋火虫、鱿鱼、海堑
竹子、植物茎、冬季马尾（见A.6）、盒子鱼、硅藻、骨骼
莲花（见A.12)、蜗牛、蝴蝶的翅膀、蝉翅膀、玫瑰、纳米布沙漠甲虫、猪笼草预期应用领域
液品、装饰、电子、功能膜、化妆品汽车、家电、装饰品
建筑、汽车、结构性材料
质地结构、涂层材料、建筑、汽车、玻璃、集水(水产业)
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