ICS 07.080 CCS A 40
Ge
中华人民共和国国家标准
GB/T42441—2023/ISO18457:2016
仿生学 仿生材料、结构和构件 BiomimeticsBiomimetic materials,structures and components
(ISO18457:2016,IDT)
2023-10-01实施
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
发布 GB/T42441—2023/ISO18457:2016
目 次
前言引言范围
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IV
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2 规范性引用文件 3 术语和定义
缩略语 5 生物原型材料 5.1特性 5.2性能 6仿生材料和构件的开发方法 6.1 原型分析. 6.2与应用对象类比· 6.3特征抽象提取.
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6.4 仿生材料选择仿生材料、结构和构件产业应用需求
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附录A（资料性）材料仿生、结构和构件范例 A.1 概述 A.2 源于生物灵感的聚合物 A.3 类珍珠壳仿生微纳结构 A.4 类珍珠壳的干预颜料 A.5 自锐工具 A.6 植物茎秆仿生技术 A.7 骨科整形螺钉 A.8 材料与构件的仿生制造技术 A.9 结构色 A.10 减反射结构 A.11 胶带 A.12 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
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I GB/T42441—2023/ISO18457:2016
前言
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ISO18457：2016《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。
I 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 GB/T42441—2023/ISO18457:2016
仿生学 仿生材料、结构和构件
1范围
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。
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，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T42444—2023 仿生学术语、概念与方法论（ISO18458：2015，IDT）
3术语和定义
GB/T42444一2023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。
3.2
效率efficiency 系统有用输出和所有输人之间的关系。
3.3
生产制造工艺 generative manufacturing process 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；一工具（快速模具制造）：与其他制造工艺相结合而制造的模具；一小批量生产（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 gradient transition 逐渐过渡 gradualtransition
1 GB/T42441—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新过渡的特征，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。
3.5
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。 3.8
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 一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-Xproperty 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面具有重要意义。范例包括自组织性、自组
装性、自修复性、自愈合性、自洁性和自锐性。
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/ISO18457:2016
HPLC：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（LiquidChromatography-tandemMassSpectrometry） MALDI-MS：基质辅助激光解吸/电离质谱（MatrixAssistedLaserDesorption/Ionization-Mass
Spectrometry)
NMR：核磁共振（NuclearMagneticResonance) OM：光学显微镜（OpticalMicroscope） 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-EnergyDispersion
Spectroscopy)
SIM：结构照明显微镜（StructuredIlluminationMicroscopy) SIMS：二次离子质谱（SecondaryIonMassSpectrometry) 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（UltraVioletVisible） XPS：X射线光电子能谱(X-rayPhotoelectronSpectroscopy) 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”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
特性
注释
生物案例
属性多功能性
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
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
木材：至少五个层级结构，从细胞壁的分子结构到树干结构
层级结构
耐受性和容错性（恢 骨骼：足够的断裂强度，阻止裂复和再生)
纹萌生和扩展
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