吉林大學張志輝教授團隊——智能仿生結(jié)構(gòu):通過增材制造連接自然和科技

來源：機械工程學報

增材制造（快速成形）技術(shù)已在我國發(fā)展 30 余年，為向全球?qū)W者介紹中國的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 執(zhí)行主編李滌塵教授的帶領下，組織策劃了“中國增材制造 30 年發(fā)展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通過十余個國內(nèi)增材制造領域的代表性團隊的高質(zhì)量論文，向大家介紹過去 30年來我國增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程、主要研究成果以及未來發(fā)展趨勢。

1 研究現(xiàn)狀
生物體通過高性能材料、復雜結(jié)構(gòu)和自我調(diào)節(jié)機制適應了嚴峻的自然選擇和生存挑戰(zhàn)。這為智能仿生結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了多種理想模型。通過增材制造技術(shù)將生物結(jié)構(gòu)特征與智能材料相結(jié)合，創(chuàng)造出可根據(jù)外部環(huán)境變化做出自適應響應的智能仿生結(jié)構(gòu)。目前，中國在智能仿生結(jié)構(gòu)的增材制造領域取得顯著進步并發(fā)揮著越來越大的影響力。

Fig. 1 AM of smart bionic structure: From design to application.

Fig. 2 Plants deform by the contraction and expansion of cells: (a) Pulvinus anatomy of sensitive plants; (b) Bilayer structure of pulvinus; (c) Hygroscopic keel tissue of ice plant capsule.

2 研究難點或瓶頸
智能仿生結(jié)構(gòu)的研究面臨多方面挑戰(zhàn)，例如：當前增材制造技術(shù)尚未能高效制備多材料、多刺激響應等需求結(jié)構(gòu)，跨尺度制造的精確性和速度也有待提升。技術(shù)局限性進一步影響了智能仿生結(jié)構(gòu)的機械性能與服役壽命。此外，還缺乏成熟理論模型來精確預測智能仿生結(jié)構(gòu)的自適應行為。


3 展望（發(fā)展趨勢）
隨著跨學科的融合和創(chuàng)新，智能仿生結(jié)構(gòu)正向著多元化方法發(fā)展。材料科學的持續(xù)突破催生了新一代智能材料，他們?yōu)榉律�結(jié)構(gòu)的設計與制備帶來的更廣闊的潛力。同時，先進的增材制造工藝正為構(gòu)筑仿生結(jié)構(gòu)框架提供了必要的技術(shù)支撐。仿生結(jié)構(gòu)設計的創(chuàng)新也致力于提高智能材料的響應性、形狀轉(zhuǎn)換效率和耐用性等。在未來的演進中，智能仿生結(jié)構(gòu)將更進一步模擬自然界結(jié)構(gòu)的自適應機制，實現(xiàn)與生物體相媲美甚至超越的功能和性能，這其中涵蓋了如更高水平的自適應與自組織能力、更快的反應速度與準確性、實現(xiàn)更復雜的形狀變化與運動、提高材料的長期耐用性與穩(wěn)定性等諸多方面，以保障仿生結(jié)構(gòu)在持久運用中維持高效能，為人類社會的發(fā)展帶來更多的價值。


作者介紹

張志輝（團隊帶頭人），吉林大學仿生科學與工程學院/生物與農(nóng)業(yè)工程學院/工程仿生教育部重點實驗室教授、博士生導師，國家高層次人才�，F(xiàn)任國際仿生工程學會（ISBE）秘書長、吉林大學仿生科學與工程學院/生物與農(nóng)業(yè)工程學院副院長，兼任ISO國際仿生學標準化技術(shù)委員會主席等職務。先后主持國家重點研發(fā)計劃專項2項、國家自然科學基金項目5項、吉林省創(chuàng)新團隊及重點攻關項目等。在表/界面科學、增材制造（3D打�。�、激光制造和材料科學等領域國際權(quán)威期刊（如《Adv. Funct. Mater.》《Addit. Manuf.》《Chem. Eng. J.》《Virtual Phys. Prototy.》《Appl. Mater.Today》等）發(fā)表論文200余篇；授權(quán)美國、中國等發(fā)明專利50余件（轉(zhuǎn)化7件），獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項。

李星燃（第一作者），吉林大學工程仿生教育部重點實驗室博士研究生，主要從事仿生增材制造、異質(zhì)金屬材料增材制造研究。目前在《International Journal of Extreme Manufacturing》、《J Mater Sci Technol》、《Virtual Phys Prototy》、《J Mater Res Technol》等國際學術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文，申請發(fā)明專利4項。

張爽（共同一作），吉林大學工程仿生教育部重點實驗室博士研究生，主要研究領域：3D打印仿生水凝膠的設計、制備及其在能源和環(huán)境領域應用，以第一作者身份發(fā)表高水平學術(shù)論文2篇《Advanced Science》、《Science China Materials》，授權(quán)發(fā)明專利3項。

團隊研究方向
1.仿生增材制造（3D/4D打�。�：面向航空航天、生物醫(yī)療等重點領域，從事高價值構(gòu)件和智能器件仿生結(jié)構(gòu)設計、增材制造/3D打印技術(shù)研發(fā)，致力于吸能減振、變形驅(qū)動、形狀記憶、智能響應等先進功能應用。

2.智能仿生摩擦表面：致力于特種功能表面構(gòu)建及延壽增效，研究智能響應仿生摩擦表/界面理論與技術(shù)，控制摩擦，減小磨損，改善潤滑。

3.仿生表面防護與數(shù)字再造工程：面向裝備表面磨損、疲勞和腐蝕等工程失效問題，進行仿生功能化結(jié)構(gòu)設計，構(gòu)建仿生防護表面，開發(fā)仿生增材數(shù)字修復新技術(shù)。

近年團隊發(fā)表文章
[1] Shuang Zhang, Meng Li, Chaorui Jiang, Dandan Zhu, and Zhihui Zhang*, Cost-effective 3D-printed bionic hydrogel evaporator for stable solar desalination, Advanced Science, 2024, 2308665.

[2] Li Xingran; Li Qiang; Nie Minghao; Kong Deyin; Liu Zhenglin; Zhang Zhihui*; Evading the strength-ductility trade-off dilemma in steel-nickel heterostructured material by bionic crossed-lamellar structures, Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18, 2266640.
[3] Kong Deyin; Wang Qing; Huang Jiangeng; Zhang Zhihui*; Wang Xiebin; Han Qing; Shi Yanbin, A biomimetic structural material with adjustable mechanical property for bone tissue engineering, Advanced Functional Materials, 2023, Accept.
[4] Jiang Pengfei; Nie Minghao; Zong Xuemei; Wang Xiebin; Chen Zhikai; Liu Chaozong; Teng Jinze; Zhang Zhihui*, Microstructure and mechanical properties of TC4/NiTi bionic gradient heterogeneous alloy prepared by multi-wire arc additive manufacturing, Materials Science & Engineering A, 2023, 866, 144678.
[5] Lin Zhibin; Zhang Ke; Ye Jiaxin; Gao Bingzhao*; Tao Peng; Zhang Zhihui*, Clarifying the importance of the running film to the ultra-low wear of the polymer composite by eliminating its individual effect, Tribology International, 2023, 180, 108201.
[6] Shao Yanlong; Du Wenbo; Fan Yong; Zhao Jie*; Zhang Zhihui*; Ren Luquan, Near-infrared light accurately controllable superhydrophobic surface from water sticking to repelling, Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131718.

引用論文
Xingran Li, Shuang Zhang, Pengfei Jiang, Minghao Nie, Deyin Kong, Zhongxiong Kang, Mengqi Liu, Dandan Zhu, Chaorui Jiang, Qingquan Zhang, Shuo Zu, Zhihui Zhang. Smart Bionic Structures: Connecting Nature and Technology through Additive Manufacturing. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200137.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200137.

文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000285