Structural Design Elements in Biological Materials: Application to Bioinspiration

生物材料 材料科学 结构材料 灵活性(工程) 韧性 刚度 材料设计 仿生学 纳米技术 生化工程 结构工程 复合材料 工程类 统计 数学
作者
Steven E. Naleway,Michael M. Porter,Joanna McKittrick,Marc A. Meyers
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:27 (37): 5455-5476 被引量:432
标识
DOI:10.1002/adma.201502403
摘要

Eight structural elements in biological materials are identified as the most common amongst a variety of animal taxa. These are proposed as a new paradigm in the field of biological materials science as they can serve as a toolbox for rationalizing the complex mechanical behavior of structural biological materials and for systematizing the development of bioinspired designs for structural applications. They are employed to improve the mechanical properties, namely strength, wear resistance, stiffness, flexibility, fracture toughness, and energy absorption of different biological materials for a variety of functions (e.g., body support, joint movement, impact protection, weight reduction). The structural elements identified are: fibrous, helical, gradient, layered, tubular, cellular, suture, and overlapping. For each of the structural design elements, critical design parameters are presented along with constitutive equations with a focus on mechanical properties. Additionally, example organisms from varying biological classes are presented for each case to display the wide variety of environments where each of these elements is present. Examples of current bioinspired materials are also introduced for each element.
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