智能結(jié)構(gòu)的3D打印：分類、挑戰(zhàn)和趨勢(shì)

近年來(lái)，智能結(jié)構(gòu)以其可控變形、自修復(fù)和傳感等功能特性而受到廣泛關(guān)注，在現(xiàn)代跨學(xué)科研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其在仿生學(xué)、軟體機(jī)器人、航天工程、柔性傳感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。隨著智能結(jié)構(gòu)的材料多樣性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高，傳統(tǒng)制造方法難以滿足現(xiàn)階段需求，3D打印技術(shù)因其多材料兼容性、個(gè)性化定制和集成制造的能力而適用于制造各種智能結(jié)構(gòu)，給智能結(jié)構(gòu)的加工制造提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。

EFL團(tuán)隊(duì)受主編約稿在Advanced Intelligent Systems期刊發(fā)表“Recent Progress in 3D Printing of Smart Structures: Classification, Challenges, and Trends”這一主題綜述，紀(jì)毓楊博士生為第一作者，欒叢叢博士和賀永教授為通訊作者。本綜述主要對(duì)各種智能結(jié)構(gòu)（刺激響應(yīng)型智能結(jié)構(gòu)、自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)和傳感智能結(jié)構(gòu)）的3D打印方法、所使用的材料及應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行了全面的概述，還系統(tǒng)的總結(jié)了智能結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)的需求、當(dāng)前瓶頸和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 常見(jiàn)的三種智能結(jié)構(gòu)功能及本綜述的主要關(guān)注點(diǎn)

1. 智能結(jié)構(gòu)中主流3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D 打印已成為一種可以替代傳統(tǒng)制造方法的通用制造方法。在3D打印過(guò)程中，使用CAD軟件將對(duì)象虛擬地切成多個(gè)層、塊或斑點(diǎn)。此后，使用打印機(jī)將打印材料逐層或逐塊堆疊以獲得目標(biāo)對(duì)象。如圖2所示，科學(xué)研究和自然生活總是息息相關(guān)，根據(jù)表面成型方法的不同，可以將智能結(jié)構(gòu)增材制造中3種常用的3D打印工藝形象地看作是日常生活中土豆的3種加工方式的逆過(guò)程。（1）土豆切片與光固化打印類比，比如數(shù)字光處理 (DLP)、投影微立體光刻 (PμSL)、磁場(chǎng)輔助投影立體光刻 (M-PSL) 和微尺度連續(xù)光學(xué)打印 (μCOP)；（2）土豆切絲與擠出式打印類比，比如直接墨水書(shū)寫(xiě) (DIW) 和熔融沉積建模 (FDM)。（3）土豆切塊與噴墨式打印類比，比如PolyJet和基于氣溶膠噴射打印技術(shù) (AJP)。

圖2 3D打印原理與方法進(jìn)行類比(類似切土豆的逆過(guò)程)

2. 智能結(jié)構(gòu)的分類與總結(jié)

2.1 溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)可以隨溫度變化產(chǎn)生響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。這種智能結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)一般通過(guò)以下幾種方式：（1）將多個(gè)熱敏度不同的層疊在一起，熱敏度不同的層可以使用不同的材料或具有不同厚度的相同材料來(lái)得到；（2）將形狀記憶材料嵌入較軟的基材中；（3）特定形狀的熱源加熱；（4）在制造期間或之后施加預(yù)應(yīng)力。溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)在仿生變形結(jié)構(gòu)、軟體機(jī)器人和非二進(jìn)制致動(dòng)器方面有廣泛的應(yīng)用前景。

DIW和FDM是溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)增材制造中廣泛使用的方法。通過(guò)噴墨打印和 DLP 方法制造溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)也越來(lái)越受到關(guān)注。PμSL方法使制造具有高分辨率微結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)成為可能。溫度響應(yīng)智能材料主要包括水凝膠和形狀記憶聚合物，其中PNIPAAm是應(yīng)用最廣泛的智能水凝膠。有限的響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能是制約溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前，能夠用于3D打印的高性能溫度敏感智能材料仍然較少。雖然已經(jīng)有針對(duì)雙向驅(qū)動(dòng)器所需的材料和制造工藝的相關(guān)研究，但大多數(shù)溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)單向驅(qū)動(dòng)。為了進(jìn)一步對(duì)變形行為進(jìn)行定量分析并對(duì)印刷參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，已經(jīng)進(jìn)行了許多理論分析和仿真模擬，并仍需進(jìn)一步研究。

圖3 溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

2.2 電磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)通常由電活性聚合物驅(qū)動(dòng)，例如介電彈性體致動(dòng)器 (DEA) 和電活性水凝膠 (EAH)，因?yàn)樗鼈兙哂邢喈?dāng)大的應(yīng)變能力和能量密度。電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)通常通過(guò)分層或纏繞的方式將電致伸縮材料和非電活性材料結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)彎曲和扭曲等基本動(dòng)作，復(fù)雜的動(dòng)作可以通過(guò)多個(gè)基本動(dòng)作的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)因其快速響應(yīng)和非接觸控制特性而被廣泛應(yīng)用。磁響應(yīng)功能通常是通過(guò)將鐵磁顆粒摻雜到聚合物基質(zhì)中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、UV 樹(shù)脂和水凝膠。為了在磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變形，可以通過(guò)將各部分沿不同方向磁化來(lái)調(diào)整磁力方向，并且可以調(diào)節(jié)磁性粒子的濃度來(lái)改變磁力大小。

圖5 磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

DIW是應(yīng)用最廣泛的電磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)增材制造方法。對(duì)于磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)而言，鐵粉、羥基鐵粉和Fe3O4粉末是常見(jiàn)的軟磁顆粒，NdFeB顆粒是常見(jiàn)的硬磁顆粒。值得注意的是，不同磁化方向的組件通常需要單獨(dú)磁化然后進(jìn)行手動(dòng)組裝，這是阻礙復(fù)雜磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)小型化和制造效率提高的關(guān)鍵問(wèn)題，磁場(chǎng)輔助3D打印方法提供了有效的解決方案。同時(shí)，盡管微機(jī)器人在血管狀管道中的運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，外部電磁控制裝置的控制策略和小型化需要進(jìn)一步研究。

2.3 自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)

自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)或在外部刺激（如光或熱）的影響下修復(fù)材料中的損傷。因此，它們?yōu)榻Y(jié)構(gòu)壽命延長(zhǎng)提供了一種簡(jiǎn)單且低成本的方法。愈合效率和成功連續(xù)愈合循環(huán)的數(shù)量是表征此類智能結(jié)構(gòu)自修復(fù)性能的兩個(gè)主要參數(shù)。自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的建模方法主要包括使用含有可逆鍵的自修復(fù)材料和內(nèi)部插入含有修復(fù)成分的空心血管網(wǎng)絡(luò)或膠囊。3D打印技術(shù)的引入使得復(fù)雜自愈結(jié)構(gòu)（如復(fù)雜形狀和復(fù)雜的內(nèi)部的血管網(wǎng)絡(luò)）的制造成為可能。

DIW 再次成為制造自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)最常用的方法。基于可逆化學(xué)鍵的自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的愈合率幾乎可以達(dá)到100%，而大多數(shù)基于血管網(wǎng)絡(luò)的自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的愈合率相對(duì)較低。有幾個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：（1）現(xiàn)有的自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的自修復(fù)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，許多修復(fù)過(guò)程需要施加外部刺激進(jìn)行觸發(fā)。尋找合適的修復(fù)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同材料的自主快速愈合尤為重要。（2）探索能夠在低工作強(qiáng)度條件下實(shí)現(xiàn)自愈的智能結(jié)構(gòu)對(duì)于提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。（3）血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)極大地影響自愈性能。因此，為更科學(xué)的結(jié)構(gòu)探索更為科學(xué)有效的血管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法顯得尤為重要。對(duì)此，提出了一種基于默里定律的仿生血管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法。（4）目前的研究重點(diǎn)主要集中在機(jī)械性能的自愈性能。其他特性的恢復(fù)（如電氣特性）也需要進(jìn)一步研究。

圖6 自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)

2.4 傳感智能結(jié)構(gòu)

傳感智能結(jié)構(gòu)可以感知在外部物理參數(shù)的變化，例如位移、壓力和濕度。傳感功能通常是通過(guò)將電子元件或壓電導(dǎo)電材料嵌入絕緣基質(zhì)中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)在諸如可穿戴電子傳感設(shè)備、軟機(jī)器人智能觸覺(jué)監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵部件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用為可穿戴柔性傳感器和機(jī)器人觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的制造提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。然而，目前大多數(shù)智能傳感結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行定性分析，難以實(shí)現(xiàn)高精度的定量測(cè)量，線性度較差。因此，進(jìn)一步的研究是必要的。

圖7 傳感智能結(jié)構(gòu)

2.5 其他智能結(jié)構(gòu)

針對(duì)前面分類中沒(méi)有提到的一些智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)充和簡(jiǎn)要綜述，包括一些刺激響應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)，刺激類型涵蓋PH、光、聲波和離子濃度等，還對(duì)基于溶脹原理的智能結(jié)構(gòu)、具有選擇透過(guò)性的智能結(jié)構(gòu)和擁有變色功能的智能結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了概述，大多數(shù)這些智能結(jié)構(gòu) 3D 打印方法的研究仍處于起步階段。

圖8 幾種其他智能結(jié)構(gòu)

3. 智能結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)中存在的挑戰(zhàn)

3D打印因其多材料兼容性、個(gè)性化定制和集成制造的能力而適用于各種智能結(jié)構(gòu)的制造。不同類型的智能結(jié)構(gòu)需要不同的 3D 打印方法。在所有綜述的智能結(jié)構(gòu)中，普遍采用 DIW、DLP 和 PμSL 打印方法。AJP 和 μCOP 方法的尺寸限制和高成本以及 M-PSL 方法的磁響應(yīng)功能特異性限制了這些方法的普遍應(yīng)用。3D 打印速度、分辨率和成本之間一直是一種此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡關(guān)系。因此，選擇合適的 3D 打印方法的關(guān)鍵是在這三者之間找到一種微妙的平衡關(guān)系。

圖9 各種智能結(jié)構(gòu)中用到的3D打印方法總結(jié)

4. 智能結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）在材料方面，尋找新的可印刷高性能智能材料或改進(jìn)現(xiàn)有可印刷材料的性能至關(guān)重要。通過(guò)摻雜功能因子或流變改性劑來(lái)為傳統(tǒng)基體材料提供新特性的是一個(gè)不錯(cuò)的方法。例如，碳納米管可以與 PLA 混合以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電性；羥基鐵粉可摻入水凝膠中以獲得優(yōu)異的磁響應(yīng)特性；PLAs 可以摻雜含有動(dòng)態(tài) Diels-Alder 功能的聚合物以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的層間粘合性能。

（2）在智能結(jié)構(gòu)功能方面，多功能結(jié)構(gòu)的探索有望成為大勢(shì)所趨。目前，大多數(shù)智能結(jié)構(gòu)只能執(zhí)行單一功能。多功能智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展將提高其性能并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。例如，已經(jīng)提出了具有自愈能力和受激變形能力的智能結(jié)構(gòu)、整合刺激響應(yīng)變形和電導(dǎo)功能的智能結(jié)構(gòu)以及整合自我監(jiān)測(cè)和自我修復(fù)功能的結(jié)構(gòu)。此外，已經(jīng)提出了能對(duì)多種刺激做出反應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)，使同一個(gè)智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于多種場(chǎng)景成為可能。

（3）從制造的角度來(lái)看，新的 3D 打印方法和設(shè)備的開(kāi)發(fā)值得進(jìn)一步研究。適用于新型高性能智能材料的制造方法將大大促進(jìn)對(duì)智能結(jié)構(gòu)的研究。值得注意的是，已經(jīng)提出了一種用于原位制造的 3D 打印方法，該方法可以在工作位置直接打印對(duì)象，從而提高制造效率并使在如月球等惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)直接制造成為可能。另外，在開(kāi)發(fā)新型3D打印設(shè)備時(shí)，安裝質(zhì)量監(jiān)控裝置可以在打印過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控和修正，從而提高打印精度，減少缺陷。

（4）在應(yīng)用方面，現(xiàn)有的智能結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)形似神不似的問(wèn)題。因此，在提出相關(guān)概念之后，需要在現(xiàn)實(shí)生活中找到實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景。這就要求智能結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和位移能力應(yīng)該增加，響應(yīng)速度應(yīng)該進(jìn)一步提高。此外，智能結(jié)構(gòu)的耐久性需要更多的研究。目前，大多數(shù)溫度響應(yīng)材料不能承受高溫，智能結(jié)構(gòu)中常用的一些材料（如水凝膠）在惡劣條件下無(wú)法有效發(fā)揮作用。并且，必須建立對(duì)各種智能結(jié)構(gòu)的智能行為進(jìn)行高精度定量分析的理論模型。對(duì)智能結(jié)構(gòu)的跨尺度研究也應(yīng)該開(kāi)展研究，不但要關(guān)注智能結(jié)構(gòu)的微細(xì)觀微結(jié)構(gòu)對(duì)功能的影響，也要擁有宏觀大尺寸智能結(jié)構(gòu)的打印能力。