大自然是否印證著可持續(xù)發(fā)展的答案？了解仿生學(xué)及其在3D打印領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用

導(dǎo)讀：我們使用的所有東西都來自自然資源，同時(shí)自然生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)常被認(rèn)為是可持續(xù)性的模型，這是否意味著每個(gè)受自然啟發(fā)的3D打印產(chǎn)品實(shí)際上都更加環(huán)保呢？以下為南極熊獲悉的那亞大學(xué)研究員兼副教授Libonati Flavia的觀點(diǎn)。

探索大自然對(duì)激發(fā)3D打印的靈感是非常有意義的。事實(shí)上，很多3D打印公司已經(jīng)開始探索仿生學(xué)的概念，并在此過程中揭示了一些受自然啟發(fā)的酷炫的設(shè)計(jì)。今天，我們?nèi)栽谔剿骺沙掷m(xù)發(fā)展的概念，以及將其轉(zhuǎn)換為工業(yè)應(yīng)用的可行性。

研究員兼副教授弗拉維亞·利博納蒂（Flavia Libonati）的研究工作是自然、材料、3D打印和工程的交叉點(diǎn)。她的研究重點(diǎn)是從分子到工程尺度的生物結(jié)構(gòu)材料（如骨骼和珍珠層）的增韌和新型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。她使用枚舉設(shè)計(jì)的方法，結(jié)合自然和工程原理，包括3D打印，以改善材料的機(jī)械性能，從而以最佳方式成功組合它們。

從一開始，利博納蒂就說："我們正在處理一個(gè)雙向的過程。3D打印可以改變仿生學(xué)，反之亦然。一方面，3D打印徹底改變了一切，包括仿生學(xué)設(shè)計(jì)方法。該技術(shù)及其原理打開了設(shè)計(jì)空間，打破了幾何制造障礙，現(xiàn)在使設(shè)計(jì)師能夠3D打印具有非常復(fù)雜形狀的組件。另一方面，仿生學(xué)改變了3D打印，在功能層面上開辟了新的視角和變化。例如，它有助于探索新的材料可能性。例如，4D打印可以通過添加新的維度在打印組件中獲得新功能，因此它超越了零件的簡單制造�！�

教授進(jìn)一步解釋了工程師利用的自然原理："自然是一把神器的雕刻刀，它創(chuàng)造了各種材料，這些材料具有多功能，高效和可持續(xù)性。如果你想想自然界中看到的基本材料 - 珍珠層，竹子，骨頭等。”它們具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并且非常多樣化，并且這種結(jié)構(gòu)和功能的多樣性也可以在相同的材料中看到。例如，骨骼是一種具有許多子結(jié)構(gòu)的材料，這些子結(jié)構(gòu)由礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)組成。這些結(jié)構(gòu)在不同的長度尺度上混合在一起，產(chǎn)生能夠在體內(nèi)執(zhí)行不同功能的不同復(fù)雜的宏觀結(jié)構(gòu)。

骨組織雖然與類似結(jié)構(gòu)的海綿有著截然相反的力學(xué)強(qiáng)度，但兩者都是由類似的構(gòu)建塊制成的。我們可以用3D打印做同樣的事情。我們從這些構(gòu)建塊開始，然后我們研究自然以及特定的局部形狀如何影響和增強(qiáng)整個(gè)零件的性能。此后，我們嘗試將這些構(gòu)建塊組合在一起，并使各種子結(jié)構(gòu)多樣化，以突出具有不同特性的復(fù)合材料。

材料在自然界中工作方式只是一個(gè)特別的例子，Libonati指出，“3D打印價(jià)值鏈的每一個(gè)行業(yè)都可以看到他們的工作受到仿生學(xué)方法的影響。這包括設(shè)計(jì)師，材料專家，甚至零件生產(chǎn)商。"在設(shè)計(jì)師的工作中，仿生學(xué)方法將影響創(chuàng)意部分，并有助于提供受自然啟發(fā)的最佳解決方案。另一方面，材料專家需要了解這些解決方案的工作原理以及如何將其轉(zhuǎn)化為合成材料，同時(shí)牢記后者不像生物材料那樣是活材料。

作為研究項(xiàng)目的一部分，弗拉維亞·利博納蒂與研究人員一起，對(duì)晶格啟發(fā)材料的"結(jié)構(gòu) - 性質(zhì)"關(guān)系有了更深入的了解。雖然這項(xiàng)研究從受立方體Bravais晶格啟發(fā)的單個(gè)單元細(xì)胞開始，研究小組一方面利用他們從自然界學(xué)到的知識(shí)，另一方面利用一套包括3D打印和機(jī)械測(cè)試在內(nèi)的方法，研究不同打印參數(shù)的影響，以及數(shù)值建模來設(shè)計(jì)輕質(zhì)建筑材料。完美詮釋了 "由大自然來源的精心設(shè)計(jì)，創(chuàng)造承受特定的局部負(fù)載并滿足不同的功能需求的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)"。

通過展望未來，模仿晶體材料的特征微觀結(jié)構(gòu)將允許在更大尺度上復(fù)制晶體的典型行為，將自然結(jié)構(gòu)的硬化特性和輕質(zhì)架構(gòu)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，從而產(chǎn)生具有多種功能的新型材料。

我們將從Libonati的解釋總結(jié)出的是，"大自然從納米尺度開始，以分層組織的方式做任何事情，我們需要找到一種方法將過程轉(zhuǎn)化為制造，同時(shí)保持多尺度的精度。通過這種方式，我們將找到更好的方法來開發(fā)新的高性能材料。3D打印領(lǐng)域內(nèi)仿生學(xué)方法將引導(dǎo)未來新材料和新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造。