《仿生力學前沿》是《生物材料力學與仿生學》（上海交通大學出版社，2018年）的姊妹篇，介紹仿生力學領域的若干新進展，重點是我國學者在近十年取得的研究成果。全書共11章，其內容涵蓋仿生力學的基本理論、力學模型、實驗方法、數值仿真與仿生應用，大致可分為三個方面：一是仿生力學的基本科學問題與研究方法，涉及生物材料的表面浸潤、表面黏附、摩擦與仿生應用等，二是若干代表性生物材料的力學性質與仿生應用，包括生物纖維、手性材料、動物牙齒、牙科材料等；三是仿生力學的前沿進展及其應用，涉及動物的消音、減震與抗衝擊、紅外傳感及其仿生應用等。
《仿生力學前沿》可供仿生學、生物力學、固體力學、材料學、軟物質科學、機械工程、航空航天等領域的科研人員和高等院校相關專業的師生參考。

• 
• 
• 
• 

1 仿生力學簡介
1．1 仿生學
1．1．1 定義
1．1．2 發展簡史
1．1．3 研究範疇
1．1．4 分類
1．2 仿生力學
1．3 生物材料仿生力學
1．3．1 強韌化仿生
1．3．2 表面功能仿生
1．4 運動仿生力學
1．5 仿生力學發展展望
參考文獻

2 生物材料表面浸潤力學
2．1 表面浸潤基本概念
2．1．1 表面張力
2．1．2 接觸角
2．1．3 接觸角滯後
2．1．4 液-氣界面形貌
2．1．5 毛細現像
2．2 生物表面精致的微納米結構
2．2．1 蓮花效應
2．2．2 水生昆蟲腿的表面結構
2．2．3 昆蟲翅膀和甲殼
2．2．4 表面各向異性微結構
2．2．5 鬥篷草——親水基底產生超疏水
2．2．6 超疏水結構的分類
2．3 表面張力——支撐力和驅動力
2．3．1 水黽、蚊子
2．3．2 蟻筏
2．3．3 翻越彎液面的小動物
2．4 毛細效應
2．4．1 蜥蜴泥漿吸水
2．4．2 水鳥攝食——毛細棘輪效應
2．5 彈性變形
2． 5．1 水黽腿
2．5．2 蚊子腿
2．6 結構優化——尺寸效應
2．7 主動控制
2．7．1 蚊子腿
2．7．2 水黽腿
2．8 結論
參考文獻

3 生物及仿生材料表面黏附力學
3．1 生物黏附
3．1．1 剛毛結構
3．1．2 平滑結構
3．2 黏附的物理作用力
3．2．1 真空吸力
3．2．2 範德瓦耳斯力
3．2．3 毛細力
3．3 黏附力的力學模型
3．3．1 Hertz模型
3．3．2 JKR模型
3．3．3 DMT模型
……
4 生物材料摩擦學與仿生
5 蠶繭與蠶絲力學
6 手性生物材料多尺度力學
7 牙科材料力學與仿生
8 青魚咽齒力學與仿生
9 鶚形目動物的消音機理與仿生
10 貓科動物減震力學
11 動物紅外傳感與成像
索引

大自然是人類智慧永不枯竭的源泉。歷經數十億年的自然演化與優勝劣汰，地球上形成了由動物、植物和微生物構成的復雜而精細的生態繫統，其中動物和植物的種類數量均以千萬計。它們各自演化出了完善而精致的生命繫統，具有高度的復雜性與特異性，呈現各不相同的形態與行為特征，以適應其所處的自然環境，如海洋、湖泊、河流、草原、森林、高原、沙漠、戈壁、冰川等。盡管其形體尺寸、幾何形態、生活模式等有巨大差異，但這些生物體都能以高效的方式實現其食物獲取、消化吸收、能量轉化、遺傳發育、運動遷移、控制導航、信息傳遞、行為調控等方方面面的生物功能。這些紛繁復雜的生物學功能的物質基礎是生物體內種類繁多、形式多樣、性質迥異的生物材料、組織與器官，它們在幾何結構、生物功能、化學構成、物理性質、生存環境等方面都相互關聯、融為一體。
人類對如此豐富多彩的自然界的濃厚興趣與不懈探索，是與人類個體的演化以及社會的發展相伴而行的。一方面，人類希望深入認識自然界在不同時間和空間尺度上的各種奇妙現像，包括生物體的誕生、發展、演化的過程與機制，動物和植物的行為及其與形態、結構、環境等相互作用的基本規律。對自然持續不斷的探索，促進了人類思想和文明的進步，催生了諸多學科門類的誕生與發展，也推動了工程技術的發明與革新。另一方面，人類文明的發展在資源、環境、健康等方面不斷遇到新的挑戰。歷史表明，人們可以通過對大自然的學習、研究和模仿，尋求受自然界啟發的解決思路。這樣的研究歷史悠久，並在20世紀逐漸形成了一門獨立的、與諸多學科深度交叉與融彙的學科分支——仿生學。近幾十年來，仿生學的發展日新月異，其成果已被廣泛應用於航天航空、機械、材料、環境、建築等很多重要的科學技術領域、人文科學領域以及人們的日常生活。近年來備受關注的人工智能等領域也與仿生學密不可分。
生命在於運動，而力與運動形影不離。在生物的分子、亞細胞、細胞、多細胞、組織、器官、繫統、生物個體、生物種群與群落，乃至生態繫統和生物圈的各個空間尺度上，都在發生著不斷的運動與演化，這些過程發生的特征時間尺度也同樣跨越很大範圍。在所有這些過程中，力學因素均扮演著至關重要的角色。因此，仿生力學受到了越來越多的關注。仿生力學借助於理論、實驗與數值仿真方法，探究生物體在上述各個空間和時間尺度上的形態與行為，揭示其運動與演化的力學機理及其與其他因素的耦合作用機制，並將研究成果進行仿生應用。隨著現代科技的發展，人們越來越多地意識到，仿生設計不應停留在基於外形和表像的“形似”層面，而應該提升到基於機制和原理的“神似”水平。隻有這樣，仿生纔會更加高效，更加精準。要做到“神似”，就需要對生物體進行深入的理論與實驗研究，建立相應的定量化、繫統化的理論模型、實驗技術與計算方法，揭示其內在的物理規律，這是仿生力學的核心任務。
另外需要指出的是，組成生物體的材料、組織、器官等大都是很精美的，但這並非意味它們是完美的。就綜合性能而言，其組成成分、幾何結構等是高度優化的，是在長期演化中平衡、兼顧多種因素的結果，但對於某一種或某幾種功能（例如強度、剛度、斷裂韌性、導熱性能、摩擦性能）而言，則未必是最優的。生物材料和結構也往往存在多方面的缺陷和有待進一步優化之處。因此，對於具有特定設計目標的仿生研究，不宜過分誇大生物材料和結構的性能，也不宜不加甄別地照抄生物材料的多級結構和化學成分，而需要通過繫統深入的科學研究，深刻認識其化學成分、幾何結構、物理性能、生物功能、生存環境等因素之間的基本關繫，有的放矢地進行仿生。這也是仿生力學重要性的另一體現。
在《生物材料力學與仿生學》（上海交通大學出版社，2018年）中，作者重點介紹了生物材料力學及其仿生研究的若干進展，本書《仿生力學前沿》是其姊妹篇，進一步介紹了我國學者近十年來在仿生力學領域的另外一些重要成果。本書編者邀請了我國仿生力學領域的一些知名學者，分別就相關主題撰寫專章，其內容涵蓋仿生力學的基本理論、力學模型、實驗方法、數值仿真與仿生應用，大致可分為三個方面：一是仿生力學的基本科學問題與研究方法，涉及生物材料的表面浸潤、表面黏附、摩擦與仿生應用等；二是若干代表性生物材料的力學性質與仿生應用，包括生物纖維、手性材料、動物牙齒、牙科材料等；三是仿生力學中的前沿進展及其應用，涉及動物的消音、減震與抗衝擊、紅外傳感及其仿生應用等。作者希冀本書能較好地展示我國學者在仿生力學領域的出色成果，並以此推進相關的科學研究和工程應用。
本書的出版得到了各章作者的鼎力支持，在此對他們表示衷心感謝。清華大學生物力學與醫學工程研究所的多位研究生做了大量細致的工作，這裡一並致謝。
需要強調的是，仿生力學的研究內容十分寬廣，研究方法與成果也日新月異，雖然《生物材料力學與仿生學》與《仿生力學前沿》兩書的作者來自力學、仿生學、材料學、物理、機械工程等多個學科，但是依然難以涵蓋該領域的諸多重要進展，本書內容難免掛一漏萬，書中存在的欠妥之處，敬請專家和讀者批評指正。