中国是切削刀具的消耗大国，如果能够合理设计刀具结构，则可以减少刀具磨损，提高刀具性能，延长刀具寿命。本项目应用仿生学原理，开展切削刀具的结构设计工作，在高速钢刀具的后刀面设计出提高耐磨性能的微凹坑以及网纹等仿生结构表面，在高速钢和硬质合金刀具的前刀面设计出具有良好断屑性能的激光熔覆断屑台，设计出易于再制造的组合式电镀金刚石砂轮。研究了结构仿生表面的摩擦磨损性能，分析仿生单元特征对表面磨损的影响，建立了结构仿生表面的磨损量数学模型，对仿生单元的形态参数进行了优化设计。探索了高速钢刀具材料粉末熔覆仿生强化表面的制造方法，分析高速钢粉末熔覆仿生强化表面的组织结构与磨损性能。针对金属和氟金云母玻璃陶瓷材料，研究了高速钢刀具结构仿生表面的磨损特性。设计并制造了高速钢刀具表面激光粉末熔覆断屑台，研究了高速钢表面激光粉末熔覆刀具的切削过程与断屑效果。通过本项目的研究工作，设计并制造出高速钢刀具的表面仿生结构，可以改善高速钢刀具的表面耐磨性，提供了一种刀具表面仿生设计的新方法。基于仿生原理设计出便于拆卸的组合式砂轮基体，实现了电镀金刚石砂轮的绿色再制造，提供一种新的可回收金刚石砂轮设计方案，为报废金刚石工具的回收和再制造提供了新思路。设计并制造出一种高速钢刀具表面激光粉末熔覆断屑台，有效实现了切削过程的断屑，可以应用于高速钢刀具以及硬质合金刀具。 2100433B

近年来，中国的刀具消耗连续位居世界首位。在发展低碳经济的需求下，减少和控制刀具磨损，是延长刀具寿命、节约制造成本的有效手段之一。生物为了适应环境和满足生存需要，经过亿万年的进化，在自然法则下优化出具有极其优异功能的生物体表面。本项目根据仿生学原理，提出一种刀具表面结构仿生的新构想，研制一种基于激光强化的高速钢刀具结构仿生表面。本项目以高速钢刀具为研究对象，以提高刀具表面的耐磨性为研究目标，通过将激光强化和刀具表面结构仿生相结合的手段，共同提高刀具的耐磨性。研究内容包括：探索刀具结构仿生表面的设计方法，研究激光强化仿生结构单元的加工方法，分析结构仿生表面的摩擦学特性，研究激光强化仿生刀具的切削性能。开展本项目研究，将解决激光强化高速钢仿生刀具在设计与加工中的各项关键技术，提供提高刀具表面耐磨性的新途径，建立切削刀具表面结构仿生的基本原理和方法。

太阳能电池存在多角度入射太阳光难以聚焦吸收、过热问题引起转换效率降低以及恶劣户外环境影响电池稳定性等问题。本项目以树叶表皮为仿生对象，研究树叶表皮的光学特性、自清洁性、超疏水性、热适应性等多功能的形成机理，提出了一种单层薄膜上集成多功能特性的太阳能电池智能表面结构，以解决太阳能电池在工艺、转换效率和稳定性等方面实用化的问题，着重开展其仿生机理和制备工艺的研究。通过测量树叶表皮的几何结构、形态和功能特性，基于结构与功能的仿生耦合设计原理，建立太阳能电池智能表面结构的仿生模型；分析表面结构的边界约束条件，建立纳米颗粒分布模型，进行计算机仿真设计，开发单层多功能薄膜的制备工艺；实验研究并测试其光学特性、动态接触角、表面粗糙度、温度和几何结构形态以检验其多功能特性，优化其制备工艺。为低成本的太阳能电池覆膜制备提供新的理论、方法和工具，推动太阳能电池的大规模应用。

在清华大学教授吕富殉先生的文章“走向21世纪——建筑仿生学的过去和未来”中，介绍了建筑仿生学的研究内容（见图）。

总的来说，建筑仿生学的研究内容大致可归纳为以下几个方面：

（1）建筑的功能与空间（形象）的组织。

（2）生物界的某些结构构造体系以及它们形成的特殊方法和规律。

（3）建筑与自然环境的相互关系问题以及生态保护问题的解决。

（4）生物界某些带有规律性的美学潜力的发掘以及建筑美学问题。

仿生建筑的创作以功能和形象的统一为基础，并将建筑和生物界形象构成的和谐为追求目标，具体来说，就是从建筑的使用功能出发，找到一种合适的形象，能更充分地满足建筑的使用功能及其特定的社会需要。丰富多彩的生物界向我们提供了取得功能和形象间的和谐关系的规律，给我们提供了无穷无尽的仿生构思的源泉，同时我们也可以看到，任何规律和原则都有可能通过不同的具体形式表现出来，这为我们正确地利用生物界和建筑的共同规律提供了保障。

当前，世界面临严峻的能源和环境压力，太阳能电池的研究近来成为热点，太阳能电池目前在应用上存在一些问题，如对太阳入射光的吸收率不高导致光电转换效率低下，受恶劣环境的影响导致稳定性差使用寿命减短等。自然界中的生物对于不同的环境都具有良好的适应性，如飞蛾复眼结构的减反射性、荷叶表面的超疏水性等。这些生物的一些特定的结构对于光学传输、温度控制、自清洁功能有直接的影响。本文以某些具有特殊结构的生物体为仿生对象，开展太阳能电池表面结构的仿生机理和制备技术的研究，以在宽波长大角度范围减小电池表面入射光反射率并同时提高表面自清洁性能为目的，基于严格耦合波理论展开了仿生模型的光学特性仿真研究，并基于仿生结构的原理提出了两种实验制备方法，湿法腐蚀方法及基于自组装纳米微球的方法。对表面结构形貌特征进行了表征并测试了表面结构的光学特性、疏水性。本文主要研究内容如下： 1）仿生结构机理研究。一些生物体表面具有良好的光学减反性和疏水性，通过研究发现，其表面的微观有序结构在其中发挥着决定性的作用。通过调整微纳结构的分布和尺度，可能会同时具备优异的疏水性和光学减反性。将这样的微纳结构运用于太阳能电池表面，在提高其光电转换效率、实现自清洁等功能方面会有显著的突破。 2)对硅片表面减反射原理进行研究，比较了薄膜减反射和微结构减反射的优劣，同时基于严格耦合波理论分别运用RSOFT和MATLAB软件进行了一维和二维亚波长微纳结构光学特性仿真。对固体表面超疏水机理进行了分析。 3)采用湿法腐蚀方法进行了硅纳米线的制备，并对其结构形貌、疏水性、光学特性进行了测量表征。在实验中采用100晶向的单晶硅片，室温下在其表面成功制备了大面积的硅纳米线阵列。测试表明，样品表面反射率在400-800nm波长范围内达到5%以下，表面接触角高达150°，同时具备了较好的疏水性和减反射性。 4)基于自组装单层纳米微球的湿法腐蚀技术制备微纳结构的研究。在硅基底表面自组装单层PS胶体微球，结合RIE刻蚀技术和磁控溅射镀膜技术，运用改进的湿法腐蚀技术，制备了一定面积的尺寸可控的有序纳米线阵列，讨论了及PS微球的自组装技术，RIE刻蚀条件的选择及优化。 2100433B