经过数百万年的自然选择进化后,天然纤维复合材料通过将蛋白纤维与基质以特殊方式联结而成,表现出优越的力学性能。天然纤维复合材料的构造特征通常表现为不连续纤维在一个方向上随机平行排列或三维随机交错的纤维网络。受天然纤维复合材料的启发,合成纤维增强复合材料被仿生开发;但随着对天然纤维复合材料不断深入研究,人们发现现阶段的合成材料的设计是初步的,尚有可改进的之处。了解纤维生物结构中变形和应力传递的机制可以为合成工程复合材料的设计提供生物启发的线索,解码复杂的生理和病理现象,并可能为治疗方案提供新的见解。首先,工程复合材料以轻质、高比刚度和高比强度而被广泛使用。为了更好地利用复合材料,更深入地了解纤维-基体界面的应力传递和裂纹扩展,将著名的剪滞模型用于预测工程复合材料纤维和基体之间的应力传递。本文采用双线性局部粘结-滑移本构关系来描述纤维和基体间的界面力学行为,从而建立起剪滞模型的力学方程。假定剪应力沿基体厚度方向呈抛物线分布。通过求解常微分方程可得到弹性、软化和脱粘阶段的荷载-位移关系和界面剪应力的理论表达式。其次,在研究天然纤维复合材料(如肌腱、轴突)时,考虑到了弹塑性剪滞模型所不能表征粘弹性材料的相关力学行为,本文提出了在动态荷载作用下的粘弹性剪滞模型,这是对以前静态荷载作用下弹塑性剪滞模型的必要扩展;并给出了相应的理论解和数值解。考虑粘弹性基体的剪滞模型是一种新的力学模型,使其能准确合理地应用到生物力学领域。由于生物材料具有粘弹性,其刚度和断裂性能都表现出与应力率相关的力学行为;把粘弹性剪滞模型应用于肌腱和轴突的微观结构中,不连续的胶原纤丝和微管是基本的负荷单元,而纤丝间基质和交联tau蛋白承担大变形,因此将纤丝间基质和tau蛋白视为粘弹性单元。本文提出的粘弹性剪滞模型,用以阐述动态加载条件下肌腱和轴突的微观力学响应。该模型旨在揭示天然纤维复合材料在进化过程后如何保护自身免受整体损伤,以及天然纤维复合材料如何同时出色地实现高比刚度和韧性的力学性能。从材料力学的角度来看,粘结长度是工程纤维增强复合材料设计策略的重要参数。与天然生物复合材料相比,高性能纤维增强复合材料通常使用连续纤维,从而获得高比刚度和高比强度,但其韧性和延展性有限。受启发于生物复合材料,不连续的纤维可能能够改善复合材料的韧性和延展性,并且提高纤维增强复合材料抗损伤性能。从生物医学工程角度来看,这种微管-tau蛋白动力学模型可以帮助理解在动态拉伸和扭转条件下弥漫性轴突损伤的潜在病理和分子机制。最后,受启发于具有保护细胞的细胞外基质的三维随机分布的纤维网络结构,用山棕纤维来制造床垫,支撑人体睡眠。人体和床垫之间的力学相互作用是影响睡眠舒适度和睡眠质量的关键物理因素之一。本文提出了在不干扰睡眠情况下评估人体仰卧睡眠时舒适度的新方法——三维扫描技术、有限元软件、Tactilus体压测试系统、材料试验机MTS系统和相似性测量理论等强大工具和理论知识被用来评估仰卧睡姿下人体的睡眠舒适度,进而评价山棕纤维床垫的质量。在平行排列的天然纤维复合材料的基础上,本文提出的粘弹性剪滞模型,是对以往只考虑静态荷载作用下的弹性或弹塑性剪滞模型的一个必要的扩展。另外,本文提出了一种通过使用三维扫描技术和相似度测度理论来评估睡眠舒适度的新方法,用以衡量山棕纤维床垫是否满足人体睡眠舒适度的需求。