增材制造仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)化及其功能設(shè)計研究進展

來源：復(fù)合材料學(xué)報. 2024年第9期
作者：李家雨, 付宇彤, 李元慶, 等. 增材制造仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)化及其功能設(shè)計研究進展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2024, 41(9): 4435-4456. doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.004

仿生結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料的缺陷，從而實現(xiàn)高性能和功能的多樣化。增材制造(3D打印)技術(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型，從而可以制備出具有優(yōu)越力學(xué)性能和更多樣化功能的仿生結(jié)構(gòu)。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造技術(shù)與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合越來越受到人們的關(guān)注。同時，增材制造仿生結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能和功能，在航空航天、軌道交通、機械工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域受到關(guān)注。本文總結(jié)了近年來3D打印仿生結(jié)構(gòu)的研究進展，主要集中在力學(xué)性能優(yōu)化和功能方面。優(yōu)化的力學(xué)性能主要包括吸能、高強度、高剛度等，而功能則與傳感、駕駛、醫(yī)學(xué)等有關(guān)。最后，本文對增材制造仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢、現(xiàn)有研究局限性和未來發(fā)展進行了總結(jié)和展望。

仿生結(jié)構(gòu)受自然界動植物巧妙結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通常會表現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能；同時，這類結(jié)構(gòu)也受動植物維系生命功能天然設(shè)計的啟發(fā)，能夠表現(xiàn)出多種功能特性[1]。得益于仿生結(jié)構(gòu)突出的力學(xué)性能和強大的功能特性，其在航空航天、新能源、軌道交通甚至醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用背景。

為實現(xiàn)不同性質(zhì)、不同功能，可對不同生物結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計。部分生物結(jié)構(gòu)具有高強度、高韌性等優(yōu)異力學(xué)性能[1]，事實證明這些天然生物材料擁有優(yōu)異的力學(xué)性能來源于其層次性結(jié)構(gòu)[2]，例如骨骼表現(xiàn)出高強度和韌性就是由于其7個層次結(jié)構(gòu)中的多種機制[3-6]，而蜘蛛絲的高抗拉強度和大延展性則歸因于其復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)[7-8]，這使其在對力學(xué)性能敏感領(lǐng)域的運用具有天然的優(yōu)勢，力學(xué)性能優(yōu)化的仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。這些仿生結(jié)構(gòu)通過借鑒天然動植物，將管狀、夾心、蜂窩結(jié)構(gòu)引入設(shè)計中，實現(xiàn)吸能、強度、剛度上的改良，同時因這些天然生物材料多層級的特點，利用增材制造技術(shù)制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜精巧，接近于天然結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)型是相較于傳統(tǒng)制備方法更合適的一種選擇。此外，為了讓材料和結(jié)構(gòu)擁有多功能性、高性能、智能響應(yīng)等特性，可通過仿生設(shè)計來改善材料組分、細(xì)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前航天航空、機械工程及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域較重要的功能仿生結(jié)構(gòu)主要和傳感、驅(qū)動、愈合等相關(guān)。傳感仿生結(jié)構(gòu)往往具有高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性及可靠性等特征，它們可以實現(xiàn)復(fù)雜自然和生理環(huán)境的監(jiān)測[9]。驅(qū)動仿生結(jié)構(gòu)主要通過模仿不同生物的運動和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)驅(qū)動功能，而不同的仿生模式會使它們擁有不同的輸出機制。這些具有驅(qū)動功能的仿生結(jié)構(gòu)往往因其高輸出力、高速度、高分辨率等特點具有廣泛的應(yīng)用[10]。具有醫(yī)學(xué)功能的仿生結(jié)構(gòu)則是從天然生物的結(jié)構(gòu)、功能和行為中尋找靈感，并將生物學(xué)原理和材料科學(xué)和工程相結(jié)合，從而促進生物材料、藥物運輸、組織工程、醫(yī)療設(shè)備和仿生假肢等各個領(lǐng)域的創(chuàng)新[11]。本文將對圖1[12-25]所示的力學(xué)和功能特性進行總結(jié)，并介紹目前增材制造(3D打印)仿生結(jié)構(gòu)及其功能的研究發(fā)展。當(dāng)今，增材制造因其在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、設(shè)計自由度、減少浪費和節(jié)約成本等方面的突出優(yōu)勢，已成為一大研究熱門[26]。加之其高效率、高靈活性的特點，目前在軌道交通、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域也已具有廣泛應(yīng)用[27-29]。此外增材制造在仿生設(shè)計中的應(yīng)用也早已變得十分深入，增材制造對于很多復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)的成型是一個很好的解決方案，其靈活的成型方式不僅能夠打印出很多復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，而且還能夠根據(jù)不同材料的組合打印出不同性能的仿生結(jié)構(gòu)[26]，但在常見的增材制造方法當(dāng)中，例如材料擠壓[30]、材料噴射[31]這兩種機制的增材制造方法在打印上可能會存在表面質(zhì)量差、印刷速度慢及尺寸受限等問題，這也是增材制造當(dāng)中必須解決的難題[32]。

圖1

仿生學(xué)是一門古老而又年輕的學(xué)科，但是受傳統(tǒng)加工方式的制約，很多仿生結(jié)構(gòu)難以利用傳統(tǒng)技術(shù)制造出來。增材制造技術(shù)作為近年來快速發(fā)展的一項先進制造技術(shù)，其逐層累加材料實現(xiàn)成型的過程與自然界的生長方式十分契合，因此能夠制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，從而促進仿生學(xué)的發(fā)展[33]。但是，當(dāng)前仿生結(jié)構(gòu)的性能可能受到增材制造中成型缺陷的影響，因此想要將增材制造技術(shù)和仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合得更好，還需要更多的努力。總而言之，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，其與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合在未來會越來越成熟，增材制造仿生結(jié)構(gòu)將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

本文將重點介紹增材制造仿生結(jié)構(gòu)在性能優(yōu)化和功能上的實現(xiàn)情況。本文第一節(jié)主要介紹仿生結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上的優(yōu)化，第二節(jié)將從形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生等不同類型的仿生結(jié)構(gòu)總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者的研究進展。

1 3D打印仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)化

自然界中的多種動物、植物在長期進化過程中形成了獨特的輕質(zhì)、高強結(jié)構(gòu)，以此來抵抗外界的復(fù)雜沖擊荷載來保護自身的完整，滿足生存的需要。生物輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性啟發(fā)了科研和工程人員采用結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的方法來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。例如，通過借鑒自然界中竹子、瓢蟲、肌腱等生物結(jié)構(gòu)，發(fā)展具有輕質(zhì)高強特點的仿生結(jié)構(gòu)。隨著增材制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。3D打印仿生結(jié)構(gòu)可以在吸能、強度、剛度等力學(xué)性能上對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國內(nèi)外學(xué)者通過仿生學(xué)和增材制造技術(shù)設(shè)計制備了仿生吸能結(jié)構(gòu)、高強度結(jié)構(gòu)、高剛度結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在航空航天、汽車和體育器材等對強度、剛度有嚴(yán)苛需求的行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。本文總結(jié)的仿生結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上的優(yōu)化情況如表1所示[12-17, 34-48]。

表1

1.1   吸能

仿生吸能結(jié)構(gòu)借鑒了自然界中生物體的特性，通過模仿它們的結(jié)構(gòu)和受力機制，實現(xiàn)吸收和分散能量的功能。國內(nèi)外學(xué)者受自然界中的管狀結(jié)構(gòu)、泡沫結(jié)構(gòu)、夾心結(jié)構(gòu)等的啟發(fā)設(shè)計了具有強大吸能特性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)制備，并在航空航天、汽車和體育器材等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

1.1.1   管狀結(jié)構(gòu)

薄壁管狀結(jié)構(gòu)具有大變形能力和穩(wěn)定的變形模式，同時由于它多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其具有強大的吸能能力。無論在宏觀和微觀上，生物結(jié)構(gòu)中都存在著管狀結(jié)構(gòu)。例如宏觀的竹子桿部常為由節(jié)間和節(jié)連接而成的圓筒形，甲蟲前翅和肌腱的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)都存在著桿狀的結(jié)構(gòu)，這些動植物天然的管狀結(jié)構(gòu)使他們具有強大的抗沖擊能力，從而具有強大的吸能特性。很多學(xué)者受到這些管狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)仿生管狀結(jié)構(gòu)的快速制造，從而使仿生結(jié)構(gòu)的吸能特性得到了優(yōu)化。

Zou等[12]分析了竹子維管束的梯度分布及維管束與薄壁細(xì)胞的有機結(jié)合(又稱基質(zhì)組織)是維持竹子優(yōu)異力學(xué)性能的主要原因，并受竹子內(nèi)部結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計了一種由1個仿生節(jié)點和3個仿生內(nèi)管組成的薄壁吸能抗沖擊結(jié)構(gòu)(圖2(a))。在沖擊實驗中，此薄壁結(jié)構(gòu)的單位質(zhì)量吸收能量(Specific absorption，SEA)為35.03 J/g。Hu等[13]通過將中央圓管連接到其他6個六邊形排列的圓管來模仿竹維管束微結(jié)構(gòu)的特征，提出了一種嵌套蜂窩管結(jié)構(gòu)(Bionic honeycomb tubular nested structure，BHTNS)(圖2(b))。在軸向沖擊實驗中，BHTNS展示出良好的能量吸收性能，其最大比吸收能量是51.7 J/g，高于傳統(tǒng)金屬蜂窩結(jié)構(gòu)(35 J/g)和新型自相似規(guī)律性分叉蜂窩(最大42 J/g)。

圖2

瓢蟲鞘翅的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中，存在許多形狀的小型獨立薄壁結(jié)構(gòu)，包括三角形、矩形、六邊形和圓形，并且在這些獨立薄壁結(jié)構(gòu)中心還存在一個空心圓柱管，這種雙管薄壁結(jié)構(gòu)就起到保護其翅膀和身體免受傷害的作用，因此Xiang等[34]模仿瓢蟲前翅特征通過引入不同多邊形截面組成的各種圓形管，設(shè)計出一種新型仿生雙管薄壁結(jié)構(gòu)(Bionic bi-tubular thin-walledstructure，BBTS)(圖2(c))。在軸向動態(tài)沖擊載荷作用下，當(dāng)內(nèi)壁厚度在1.6 mm至2.0 mm時，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳的碰撞性能。此外，當(dāng)內(nèi)壁厚度為2.0 mm時，圓形和八角形BBTS顯示出更好的吸能特點，優(yōu)化的BBTS結(jié)構(gòu)在能量吸收能力方面比原始的仿生結(jié)構(gòu)提高了10%。

肌腱的橫截面上存在7個層次結(jié)構(gòu)，尺度從納米、微米到毫米不等，膠原蛋白分子在縱向和橫向上聚集形成原纖維，這些原纖維緊密地排列在不同層次結(jié)構(gòu)中控制著肌腱的強度和韌性，本質(zhì)上這些都是一個單向結(jié)構(gòu)，但不同階數(shù)結(jié)構(gòu)的組合使肌腱具有強大的力學(xué)性能，因此Tsang和Raza[35]根據(jù)這一特點設(shè)計了可以利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)制備的仿肌腱管狀分層管(圖2(d))，發(fā)現(xiàn)當(dāng)層次結(jié)構(gòu)嵌套了該管狀結(jié)構(gòu)后，二階分層管和三階分層管相較于一階管的峰值總能量分別減少了75%和89%。因此引入該層次結(jié)構(gòu)顯著提升了層次結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。這些仿生薄壁管狀結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)管狀結(jié)構(gòu)在吸能特性上得到了顯著的提升。不僅僅對于管狀結(jié)構(gòu)，泡沫結(jié)構(gòu)也是一種理想的仿生吸能結(jié)構(gòu)。

1.1.2   泡沫結(jié)構(gòu)

泡沫結(jié)構(gòu)是一種典型的多孔輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)外力作用于泡沫結(jié)構(gòu)時，泡沫支撐部分的形變和內(nèi)部空間壓縮能夠有效地分散外荷載，從而減少沖擊、壓縮等外力傳遞給其他部分的可能性。因而，泡沫結(jié)構(gòu)是一種理想的吸能材料，能夠提供吸能功能而不會顯著增加其質(zhì)量。國內(nèi)外已經(jīng)把高性能泡沫結(jié)構(gòu)作為承載的結(jié)構(gòu)在航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域使用。

圖3

絲瓜海綿具有大孔和微孔的分層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而大孔周圍堅硬的內(nèi)表面層大大提高了其強度，An和Fan[36]為模擬這種層次化的生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)將薄壁碳纖維增強聚合物管嵌入到鋁泡沫中，構(gòu)建了一種類似葫蘆海綿的分層泡沫結(jié)構(gòu)(圖3(a))。此結(jié)構(gòu)中的碳纖維增強聚合物管可采用增材制造制備。在單軸壓縮實驗中，與未嵌入碳纖維管的泡沫圓柱體相比，其SEA能量吸收能力與單獨由鋁制成的泡沫圓柱體相比從40.0%提高了至73.0%，具體的提高幅度取決于泡沫的密度。此外，蓮藕也為學(xué)者們的泡沫結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的素材。蓮藕具有彼此平行的長圓柱形孔狀微觀結(jié)構(gòu)，Tane等[37]參考此獨特的多孔結(jié)構(gòu)，采用連續(xù)區(qū)域熔融的增材制造技術(shù)制備了一種圓柱形空腔多孔結(jié)構(gòu)(圖3(b))。空腔內(nèi)部的圓柱形微結(jié)構(gòu)沿固化方向排列，在動態(tài)壓縮下，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有寬范圍的平臺應(yīng)力區(qū)域(高達(dá)300 MPa，寬達(dá)45%)，因此其可吸收的能量比具有各向同性孔泡沫結(jié)構(gòu)高6倍。以上兩種自然結(jié)構(gòu)相對較軟，在自然界中還有一些相對較硬的泡沫結(jié)構(gòu)。箱龜外殼是一種由層狀骨殼和內(nèi)部閉孔泡沫骨網(wǎng)絡(luò)組成的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中骨層密度很大，泡沫層則具有較大的孔隙密度偏小，這樣的結(jié)構(gòu)特點使其具有超強抗沖擊能力的同時，也保持著內(nèi)部的生物行為。受其啟發(fā)Rhee等[38]設(shè)計了幾種能夠使用增材制造制備、與箱龜殼層結(jié)構(gòu)類似的泡沫鋁結(jié)構(gòu)(圖3(c))，并發(fā)現(xiàn)仿生泡沫結(jié)構(gòu)與其他天然大孔泡沫結(jié)構(gòu)的SEA相比，增加了10%至30%。柚皮處于柔性泡沫形態(tài)時，由實心和空心兩部分組成，實心部分用來分散熱量降低表面溫度，空心部分用來蓄水為柚皮提供新鮮水分，這樣的結(jié)構(gòu)特性使其具有較高吸能性的同時還保持著質(zhì)量輕的優(yōu)點。于是Zhang等[39]以柚子皮對果肉屏蔽保護為靈感，利用金屬3D打印技術(shù)，設(shè)計了一種類柚子皮的仿生多孔結(jié)構(gòu)(圖3(d))，該結(jié)構(gòu)不但具有散熱功能，還具有高的吸能能力(SEA為13.2 J/g)，這優(yōu)于大多數(shù)晶格或多孔金屬泡沫超材料，即在吸能上得到了優(yōu)化。

1.1.3   夾心結(jié)構(gòu)

夾心結(jié)構(gòu)一般由柔軟的內(nèi)層夾和兩個堅硬的外殼構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)可以在遭受意外碰撞時通過塑性變形來吸收沖擊能量，因此具有良好的沖擊能量吸收能力。

圖4

在自然界中螳螂蝦的趾突可以承受高達(dá)1500 N的沖擊力而不發(fā)生災(zāi)難性斷裂，其趾突由一個厚的塊狀成分和一個薄的撞擊層組成，厚的塊狀成分由一個極其有序的人字形圖案組成，呈正弦排列形式，這種排列增加了裂紋擴展路徑長度，顯著提高了能量耗散能力，具有強大的吸能特性。參考此結(jié)構(gòu)，Yang等[40]設(shè)計出一種新型的輕質(zhì)仿生雙正弦波紋(Double-sine corrugated，DCS)夾層結(jié)構(gòu)(圖4(a))，該結(jié)構(gòu)模仿螳螂蝦外殼利用兩個不同的波紋方向來增強結(jié)構(gòu)吸收能量的能力。并對該結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)靜態(tài)均勻壓縮實驗，結(jié)果顯示與常規(guī)正弦波紋芯夾層結(jié)構(gòu)相比，仿生雙正弦波紋(DCS)夾層結(jié)構(gòu)的比吸收能量SEA是其1.7倍。這為利用增材制造制備能量吸收結(jié)構(gòu)提供了新的設(shè)計思路和方法。

Lee等[41]通過透射電鏡觀察啄木鳥上喙發(fā)現(xiàn)其上喙是呈多孔狀、密集角蛋白顆粒的蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖4(b))。然而，與傳統(tǒng)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)不同的是，啄木鳥喙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁呈波浪形正弦結(jié)構(gòu)狀，這種波浪狀結(jié)構(gòu)可以提高鳥喙的硬度、吸能性能和損傷容忍度�；�于此，Ha等[42]設(shè)計了一種新型仿生多孔蜂窩夾層板(圖4(c))，板壁被設(shè)計成波浪狀，并對這種新型夾層板進行納米壓痕測試，結(jié)果表明在芯材厚度相同的情況下，新型夾層板的比能量吸收量是標(biāo)準(zhǔn)蜂窩夾層板的1.25倍。

在自然界中葉片的葉脈可以使水分和營養(yǎng)物質(zhì)通過葉片，還有助于保持其形態(tài)，防止裂縫的擴散，葉片中葉脈這種強韌的屬性，為加強夾心層結(jié)構(gòu)提供靈感。

Sun等[43]受此啟發(fā)設(shè)計了一種加強夾層結(jié)構(gòu)的軟蜂窩芯(圖4(d))，即在蜂窩芯中嵌入了周期性的仿生網(wǎng)格，這種網(wǎng)格即充當(dāng)著樹葉的強韌脈。隨后對其進行面內(nèi)壓縮實驗，結(jié)果表明，加強夾層結(jié)構(gòu)的剛度和比能吸收比相較于傳統(tǒng)蜂窩三明治板分別高出5.3%和125%。這種加強夾層結(jié)構(gòu)為使用增材制造開發(fā)更高性能的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)提供了一種新穎的設(shè)計思路。

目前在仿生吸能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，通過模仿生物結(jié)構(gòu)可以設(shè)計出更輕便和高強度的材料，這些仿生結(jié)構(gòu)可以吸收更多的能量，具有超高的抗沖擊性能。但是由于仿生結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋸?fù)雜性，需要使用3D打印等先進技術(shù)進行生產(chǎn)，這會增加其生產(chǎn)成本。對于一些使用3D打印生產(chǎn)的仿生結(jié)構(gòu)，還會由于打印技術(shù)的局限影響仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使其與理想值有一定偏差。

1.2   高強度

自然界中的高強度結(jié)構(gòu)通常具有多層級、梯度性、特殊幾何形狀等特點。得益于這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的啟發(fā)，人們發(fā)展了多種高強度仿生結(jié)構(gòu)。伴隨著與纖維增強復(fù)合材料等輕量化材料的結(jié)合，這些擁有高強度、高耐用性的仿生結(jié)構(gòu)在航空航天等工程領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2.1   高強度蜂窩結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)在自然界中十分常見，其材料主要分布在外殼和支撐區(qū)域，此結(jié)構(gòu)特征使應(yīng)力能夠均勻分布到整個結(jié)構(gòu)中，而不會集中在特定區(qū)域，均勻的應(yīng)力分布有助于減少應(yīng)力集中和損傷的可能性，提高結(jié)構(gòu)的強度和韌性。此外蜂窩結(jié)構(gòu)的胞元之間可以沿多個方向相互支撐。這種多向支撐能夠分散外部應(yīng)力的作用，減少結(jié)構(gòu)的變形和破壞風(fēng)險。這種獨特的機制使蜂窩結(jié)構(gòu)具有強大的承載能力，并讓蜂窩結(jié)構(gòu)成為熱門的仿生結(jié)構(gòu)之一。

圖5

自然界中馬蹄的微觀結(jié)構(gòu)通常是由多個相同單元格重復(fù)排列組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，得益于這種結(jié)構(gòu)特點，馬蹄具有很強悍的承載能力。Yang等[14]根據(jù)馬蹄的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種仿生蜂窩結(jié)構(gòu)(圖5(a))，并深入分析了馬蹄形蜂窩結(jié)構(gòu)在軸向壓力下的能量吸收行為。與傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)相比，馬蹄形蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓強度提高了43.8%。引入馬蹄狀蜂窩結(jié)構(gòu)為增材制造中設(shè)計高強度的蜂窩結(jié)構(gòu)提供了一種新穎的思路。

柚子皮具有分層蜂窩內(nèi)部結(jié)構(gòu)，疏松的生物組織將密集的血管束包圍，這種維管束在柚皮的抗壓性表現(xiàn)中起著至關(guān)重要的作用。Zhang等[44]受柚皮結(jié)構(gòu)特點的啟發(fā)，設(shè)計了一種新型具有分層多孔結(jié)構(gòu)的六邊形材料(圖5(b))。分層蜂窩結(jié)構(gòu)的比能量吸收相較于標(biāo)準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)提高了約15%。通過增加結(jié)構(gòu)層次和修改柚子皮蜂窩的幾何尺寸，該結(jié)構(gòu)具有更好的抗壓性和能量吸收能力。

蜘蛛網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上類似于蜂窩狀結(jié)構(gòu)，但相較于常規(guī)單層蜂窩結(jié)構(gòu)，蜘蛛網(wǎng)分層蜂窩拓展了單級蜂窩宏觀力學(xué)性能空間，從而在受到垂直沖擊載荷時展示出更好的抗壓性能和能量吸收能力。He等[45]設(shè)計出一類擁有蛛網(wǎng)層次的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)(圖5(c))，分別采用了一級和二級層次結(jié)構(gòu)。隨后壓縮實驗結(jié)果表明一級蛛網(wǎng)、二級蛛網(wǎng)等級蜂巢的比強度相較于普通蜂窩結(jié)構(gòu)分別增加了62.1%、82.4%。這樣的結(jié)果為設(shè)計具有更高強度的分層材料提供了有價值的參考。

1.2.2   高強度陀螺結(jié)構(gòu)

在自然界中，一些生物體或結(jié)構(gòu)具備類似陀螺結(jié)構(gòu)的特征，它們具備高強度、自穩(wěn)定性、能夠抵抗外部的振動，并可以作為外殼提供防護和支撐。因而，基于陀螺原理設(shè)計和構(gòu)建的結(jié)構(gòu)，在航空航天、慣性導(dǎo)航、機器人等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。它們具備出色的強度和穩(wěn)定性，能夠滿足復(fù)雜環(huán)境的要求，并為精密控制和定位提供支持。

圖6

海膽作為自然界中最廣為人知的生物礦化陀螺結(jié)構(gòu)之一，其海膽刺的強度重量比高于磚和混凝土，這是由于極多孔結(jié)構(gòu)引起的裂縫圍合效應(yīng)。這種機械行為與保護這些物種免受由捕食者的攻擊引起的沖擊、斷裂和磨損有關(guān)。受到海膽結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Peng等[15]參考三周期最小表面細(xì)胞結(jié)構(gòu)核心(Triply periodic minimal surface，TPMS)采用3D打印技術(shù)、實驗、理論公式和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了一類新型輕質(zhì)陀螺結(jié)構(gòu)(圖6(a))。隨后他們對這種新型陀螺結(jié)構(gòu)進行了三點彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TPMS核的相對密度為0.35和0.5時，最大承載分別約為15.9 N、23.1 N，承載能力顯著增加。

蝴蝶翅膀是一種由多種成分組成的多尺度異構(gòu)多孔陀螺雜化結(jié)構(gòu)。從力學(xué)角度看，蝴蝶翅膀是一種針對彎曲荷載進行優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，其高度多孔的中心區(qū)域?qū)�兩個外部區(qū)域分開，承重桿通過垂直的較小桿連接到多孔核心(圖6(b))。這種內(nèi)部多孔區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅使結(jié)構(gòu)的剛度最大化，還能使其質(zhì)量最小化。Pelanconi和Ortona[16]通過觀察蝴蝶翅膀的鱗片設(shè)計出一種超輕陀螺結(jié)構(gòu)(圖6(b))，并采用立體光刻3D打印技術(shù)將塑料部件打印成主體結(jié)構(gòu)，并將碳纖維增強筋取代肋骨連接到主體結(jié)構(gòu)。彎曲試驗結(jié)果表明碳纖維加固后的結(jié)構(gòu)的最大承受荷載比未加固結(jié)構(gòu)提高了180%。

此外，自然界中最堅固的生物材料還包括海螺牙齒，它也是一種高強度陀螺結(jié)構(gòu)。在海螺牙齒中存在一種抗拉強度最高的生物材料甲殼素和針鐵礦。Rumney等[46]通過對海螺牙齒組織和細(xì)胞的分析，揭示了牙齒形成的分子機制，并成功地在體外和體內(nèi)再現(xiàn)了整個牙齒的發(fā)育過程。并制造出了由交織的殼聚糖纖維和鐵氧化物晶體構(gòu)成的高強度生物復(fù)合材料陀螺結(jié)構(gòu)，這對于最堅固生物材料領(lǐng)域是一項重大突破，同時也為增材制造制備出最堅固材料提供了可能。

通過仿生設(shè)計，3D打印仿生結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高強度，從而滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的需求。同樣這些仿生結(jié)構(gòu)還可以通過減小材料的質(zhì)量來降低結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，來提高運行效率。但是3D打印仿生結(jié)構(gòu)的制造過程可能相對復(fù)雜，需要精確控制材料的分布和層壓結(jié)構(gòu)。最后仿生結(jié)構(gòu)的可靠性可能受到其復(fù)雜性和多功能性的影響，可能導(dǎo)致維護和保養(yǎng)困難。

1.3   高剛度

圖7

玻璃海綿因復(fù)雜的玻璃狀骨骼結(jié)構(gòu)而得名，是一種具有優(yōu)異機械性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。曲霉是一種玻璃海綿結(jié)構(gòu)，其骨架系統(tǒng)具有對稱自由空間的多孔結(jié)構(gòu)，由硅陶瓷的微小纖維和構(gòu)成玻璃海綿(Euplectella aspergillum，EA)海綿骨架的有機成分組成。Tavangarian等[47]模擬曲霉EA 海綿的針狀結(jié)構(gòu)，開發(fā)并使用增材制造技術(shù)制備了一種改善桿力學(xué)性能的新結(jié)構(gòu)(圖7(a))。該結(jié)構(gòu)將不同直徑的圓柱體嵌入圓柱結(jié)構(gòu)中形成嵌套圓柱結(jié)構(gòu)(Nested cylindrical structure，NCS)。隨后對這些不同層厚度的NCS進行彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)隨著層厚度的增加，NCSs的強度和靈活性也增加。此外，發(fā)現(xiàn)與實心桿相比，NCSs具有更高的剛度，且斷裂過程更加緩慢，這得益于嵌套圓柱結(jié)構(gòu)的能量吸收和裂紋折射、分叉和橋接等增韌機制。

自然界中珍珠結(jié)構(gòu)兼具優(yōu)異韌性和高模量，這是由于其具有兩種不同對比排列所產(chǎn)生的獨特的層次結(jié)構(gòu)(單向片劑堆積柱狀和角片劑組織片)。Patadiya等[48]通過3D打印制備了兩種珠層結(jié)構(gòu)(圖7(b))，分別是珠層柱狀(Nacre columnar，NC)和珠層片狀(Nacre sheet，NS)，其力學(xué)性能表征結(jié)果表明，與整齊的NC樣品相比，珠層結(jié)構(gòu)NS的抗沖擊性能為112.098 J/m(提高9.37%)，彈性模量為803.415 MPa(提高11.23%)，彎曲模量為1563 MPa(提高10.85%)，均高于NC，而與純幾何結(jié)構(gòu)相比，NS結(jié)構(gòu)的沖擊、彈性模量和彎曲模量分別提高了36%、29%和37%。

螳螂蝦的外殼是由互穿的、雙連續(xù)的高度礦化的羥基磷灰石支架和有機相組成的，其可以改善生物激發(fā)復(fù)合材料中因不連續(xù)陶瓷相導(dǎo)致硬/軟界面處的應(yīng)力集中，從而維持較高的力學(xué)性能。因此Sun等[17]通過模仿螳螂蝦外殼的這種雙連續(xù)結(jié)構(gòu)(圖7(c))，使通過用增材制造制備的陶瓷復(fù)合材料具有出色的韌性和承載能力，與純陶瓷材料相比韌性提高了約116倍。

高剛度仿生結(jié)構(gòu)具有較高的強度和韌性及抗疲勞性，這使他們適用于航空航天、交通運輸?shù)葘�質(zhì)量敏感的行業(yè)。但是其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計可能會導(dǎo)致制造成本的增加，且結(jié)構(gòu)在層間耦合較差時，其性能可能會受到影響。最后這些仿生結(jié)構(gòu)的性能也會受所使用材料性能的限制，因此還要選擇合適的材料才能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高剛度。

2 3D打印仿生結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計及應(yīng)用

3D打印仿生結(jié)構(gòu)不僅可以明顯提升其力學(xué)性能，而且可以拓寬其功能。通過功能化的設(shè)計，3D打印仿生結(jié)構(gòu)在更多領(lǐng)域得到了運用。本章討論3D打印仿生結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計及應(yīng)用，總結(jié)了傳感、驅(qū)動、生物醫(yī)學(xué)及其他功能在3D打印仿生結(jié)構(gòu)上的實現(xiàn)。

2.1   傳感功能

自然界中烏賊、跳蚤、細(xì)胞血管等生物結(jié)構(gòu)具有壓電、應(yīng)變、溫度、濕度的感知特性，借鑒生物的感知機制和器官結(jié)構(gòu)，可設(shè)計和開發(fā)出具有類似感知能力的傳感技術(shù)和系統(tǒng)。通過對生物感知原理的理解和仿效，結(jié)合3D打印快速的成型優(yōu)勢，制備性能優(yōu)異、靈敏度高、適應(yīng)性強的仿生傳感結(jié)構(gòu)，如仿生壓電傳感結(jié)構(gòu)、仿生應(yīng)變傳感結(jié)構(gòu)等，以滿足復(fù)雜環(huán)境中的感知需求，為醫(yī)學(xué)、航空航天、機械等領(lǐng)域提供了更實用、更精確、更快速的傳感應(yīng)用。

圖8

自然界中一些生物結(jié)構(gòu)對于仿生壓電傳感結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有啟發(fā)意義。烏賊具有堅硬的磨骨結(jié)構(gòu)，其可以在深海地區(qū)承受高水壓，這得益于其獨特的腔室壁隔結(jié)構(gòu)能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)高剛度和吸能，這樣的結(jié)構(gòu)特點使其成為傳感器設(shè)計的絕佳模型，因此He等[18]構(gòu)建了一種模仿烏賊骨骼的生物結(jié)構(gòu)(圖8(a))，通過3D打印技術(shù)制備，并在該結(jié)構(gòu)中生長了環(huán)保的壓電晶體，從而形成了一種具有高強高韌力學(xué)性能和壓電傳感功能的可持續(xù)、可修復(fù)附加保護層。如今對于這種仿生壓電傳感結(jié)構(gòu)的設(shè)計，它們的靈敏度、遲滯都得到了較好的改良。傳統(tǒng)的仿生結(jié)構(gòu)傳感器在高壓場景下的應(yīng)用范圍有限，在中壓場景下遲滯高，而仿生壓電傳感結(jié)構(gòu)則具有較高的靈敏度和檢測能力。跳蚤腿的肌肉結(jié)構(gòu)由兩個圓弧結(jié)構(gòu)聯(lián)鎖而成，當(dāng)其受到壓力時，中心圓弧會被迫積累壓力從而發(fā)生變形，這非常利于其在狹小空間的變形。基于3D打印技術(shù)，Guo等[49]制備了一種可重構(gòu)仿跳蚤柔性壓力傳感器(FPS)(圖8(b))，并通過定制專用結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其可滿足不同場景的需求。FPS具有靈敏度高(0~1 kPa時為1.005 kPa−1)、檢測范圍寬(200 kPa)、重復(fù)性高(10 kPa時為6000次)、遲滯低(1.3%)、響應(yīng)時間快(40 ms)、檢測限低(0.5 Pa)等特點，可被放置在手指、肘部、手臂、頸部、臉頰，檢測身體各個部位的動作，具有很好的適用性。這對于設(shè)計出高靈敏度、低遲滯的仿生壓電傳感結(jié)構(gòu)是一大突破。

受到生物學(xué)啟發(fā)，學(xué)者們設(shè)計了用于測定物體或結(jié)構(gòu)應(yīng)變的仿生傳感器。在自然界中，活細(xì)胞可以實現(xiàn)將細(xì)胞外的機械刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)生化信號。因此，基于3D打印技術(shù)，Li等[50]模仿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點開發(fā)了一種具有超靈敏特性和機械發(fā)光活性的復(fù)合材料(圖8(c))，即將水凝膠嵌入鞭毛藻使其對應(yīng)力具有近乎瞬時的超靈敏生物發(fā)光響應(yīng)，其響應(yīng)時間為15~20 ms，隨后利用這種活體復(fù)合材料3D打印成具有高空間分辨率的大尺度機械發(fā)光結(jié)構(gòu)。目前傳統(tǒng)的軟質(zhì)自愈材料抗裂紋擴展能力較差，而動物小血管中柔軟而堅韌的平滑肌組織可以承受持續(xù)收縮和防松過程中血壓的劇烈變化，這是由于其結(jié)構(gòu)本質(zhì)上通常具有核-殼結(jié)構(gòu)，其中其薄的外殼被強度相對較高的細(xì)胞骨架細(xì)絲包圍，而大的內(nèi)核則主要包含流體粘性物質(zhì)從而形成了一種多模態(tài)增韌機制，Sun等[51]受血管平滑肌的啟發(fā)提出了一個軟自愈聚脲模型系統(tǒng)(圖8(d))，這種系統(tǒng)能在保持軟自愈特性的同時擁有高抗裂紋擴展能力。通過分子界面金屬協(xié)同組裝引入核殼結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬微滴，在不犧牲柔軟度的情況下，其抗裂應(yīng)變和斷裂韌性分別提升了12.2倍和34.9倍。斷裂韌性可達(dá)(111.16±8.76) kJ/m2，甚至高于Al和Zn合金的斷裂韌性。此外，合成的仿生結(jié)構(gòu)在局部近紅外照射下具有快速的自愈動力學(xué)(1 min)和超高的介電常數(shù)，并可以利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)快速生產(chǎn)。這全方位改善了傳統(tǒng)軟質(zhì)自愈材料的缺陷。

除了仿生壓電傳感結(jié)構(gòu)和仿生應(yīng)變傳感結(jié)構(gòu)以外，自然界中的植物結(jié)構(gòu)也對仿生溫、濕度傳感器的設(shè)計具有深刻的啟發(fā)意義。自然界中的植物種子具有傳播性特點，并且其傳播范圍較大，Cikalleshi等[52]受Acer campestre植物種子傳播性啟發(fā)，采用聚乳酸作為生物相容性基質(zhì)，并添加光致發(fā)光的摻鎘稀土材料，溫度作為檢測的物理參數(shù)，利用3D打印技術(shù)制備了一種具有發(fā)光功能的種子狀飛翔器(圖8(e))。這種飛行器的發(fā)光特性是會隨著溫度的變化而變化，從而可實現(xiàn)擴大環(huán)境監(jiān)測范圍的功能。水作為地球上系統(tǒng)的重要組成部分，水蒸氣無處不在，因此濕度傳感在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。Esteves等[19]發(fā)展了一種基于離子液體結(jié)構(gòu)的軟材料，可用于濕度和氣體傳感。這種離子液體軟材料(圖8(f))對不同極性和親水性的化合物具有不同的響應(yīng)能力，并且能夠在干燥和濕潤條件下進行氣體傳感。另外通過研究這種離子液體材料的光學(xué)和電學(xué)信號，發(fā)現(xiàn)其對揮發(fā)性有機化合物的響應(yīng)速度更快，即能夠更快速地感應(yīng)其濕度。

2.2   驅(qū)動功能

自然界中的生物，存在不同的運動規(guī)律。仿生驅(qū)動結(jié)構(gòu)受到生物體運動機制和力學(xué)原理啟發(fā)，以實現(xiàn)高效、靈活和適應(yīng)性強的運動控制。例如巴沙魚、生物肌肉結(jié)構(gòu)、含羞草等的運動機制能夠為仿生驅(qū)動結(jié)構(gòu)帶來設(shè)計靈感。利用增材制造技術(shù)靈活制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、驅(qū)動性能好的仿生驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如電驅(qū)動、磁驅(qū)動、氣動等驅(qū)動器，使其能夠在不同環(huán)境中滿足驅(qū)動功能，為驅(qū)動器領(lǐng)域開辟了一條新的道路，用于改進機器人、交通工具、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的運動控制和機構(gòu)設(shè)計。

圖9

電驅(qū)動和磁驅(qū)動具有無接觸、無摩擦、高效率、高可靠性的優(yōu)點。使其能夠在許多領(lǐng)域得到廣泛運用，如機器人、混合器、氣密驅(qū)動設(shè)備等。巴沙魚是通過軟鰭條尾部的波動實現(xiàn)前進，這種運動機制可以很好地和電驅(qū)動結(jié)合起來。Youssef等[20]使用了選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積建模(FDM)和CO2激光切割等多種增材制造技術(shù)設(shè)計了一種軟剛性混合機器魚(圖9(a))。使用伺服電機驅(qū)動的柔性鰭尾結(jié)構(gòu)來為機器魚提供動力，并結(jié)合強化學(xué)習(xí)(RL)算法為其游動提供控制策略。磁驅(qū)動則是利用磁力來驅(qū)動機器或設(shè)備從而產(chǎn)生驅(qū)動。

Moradi等[53]首次報道了在截肢者假手的臨床手術(shù)中植入磁性標(biāo)簽(圖9(b))，并采用了3D打印技術(shù)制造假肢拇指。隨后實現(xiàn)了基于患者手部肌肉的磁力線傳感信號來控制仿生手。此外，光作為一種電磁波，也可以被生物體感知而產(chǎn)生運動。含羞草當(dāng)感知到光的刺激后便會收縮，其葉片迅速折疊實現(xiàn)運動。Li等[54]通過對金屬玻璃的結(jié)構(gòu)設(shè)計和激光加工參數(shù)的調(diào)控，成功設(shè)計出類似于含羞草具備優(yōu)異抗疲勞性能的金屬仿生結(jié)構(gòu)(圖9(c))。隨后通過磁棒的刺激，可實現(xiàn)金屬葉片的關(guān)閉和打開，即可控形狀變化。

氣動是在氣體壓力的作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生擴張和收縮來實現(xiàn)運動。人體肌肉的收縮和擴張，涉及的結(jié)構(gòu)形狀變化可以通過氣動來實現(xiàn)。De Pascali等[21]提出了一類氣動人造肌肉(圖9(d))來模仿生物肌肉的收緊和拉長，從而實現(xiàn)復(fù)雜、逼真的運動。該結(jié)構(gòu)利用3D打印技術(shù)由不同材料在不同尺度上制造，實現(xiàn)了在復(fù)雜設(shè)備中的無縫集成，從而實現(xiàn)復(fù)雜的多樣化運動。Wang等[55]選擇具有熱塑性的聚乳酸PLA為變剛度材料，利用激光雕刻機將石墨烯薄膜加工成圖案化石墨烯加熱網(wǎng)格(Patterned graphene-heating network，PGHN)，然后將其與3D-PLA的目標(biāo)加熱位置鍵合，形成PGHN/PLA變剛度結(jié)構(gòu)(圖9(e))。這種結(jié)構(gòu)可以對其任意位置實現(xiàn)加熱，從而實現(xiàn)局部剛度控制，王等再用這種機制設(shè)計了一種氣動機器人，該機器人基于PGHN/PLA變剛度結(jié)構(gòu)的局部剛度控制和形狀鎖定功能，能夠?qū)崿F(xiàn)了單氣源下的雙向運動控制。

2.3   生物醫(yī)學(xué)工程

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，其在醫(yī)學(xué)當(dāng)中的運用也越來越廣泛和深入，3D打印生物結(jié)構(gòu)具有靈巧、精密、耐久、適應(yīng)性強等特點。3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用突破了很多醫(yī)學(xué)技術(shù)的瓶頸，解決了骨骼、關(guān)節(jié)、半月板和皮膚再生技術(shù)，組織內(nèi)部用藥、神經(jīng)植入監(jiān)控技術(shù)等醫(yī)學(xué)難題。3D打印生物結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)工程上的運用越來越受到人們的重視，該項技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在未來的發(fā)展前途不可估量。

圖10

在醫(yī)學(xué)上，骨骼、關(guān)節(jié)等的再生恢復(fù)技術(shù)對于患者的術(shù)后生活尤其重要，因此這一技術(shù)的突破將造福人類，通過增材制造技術(shù)開發(fā)出器官芯片將為組織工程技術(shù)[56]帶來突破。Zhang等[57]使用數(shù)字激光處理(DLP)為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)成功制備了模仿骨組織結(jié)構(gòu)的生物陶瓷支架(圖10(a))，可用于骨再生中的多細(xì)胞傳遞。Keshtiban 等[58]利用FDM 3D打印方法以PLA為原料制備出 TPMS骨支架(圖10(g))，隨后再用氧化石墨烯對其涂層以增強其生物性，在隨后的實驗和細(xì)胞培養(yǎng)中，驗證了其具有良好機械和生物學(xué)特性。膝關(guān)節(jié)半月板結(jié)構(gòu)的再生是科學(xué)和轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)，Yan等[59]受半月板自然成熟和再生過程的啟發(fā)，開發(fā)了一種有效的轉(zhuǎn)化策略，通過3D打印制造了仿生半月板支架(圖10(b))來結(jié)合自體滑膜移植以促進半月板再生，該支架含有豐富的內(nèi)在間充質(zhì)干細(xì)胞。此外，3D打印修復(fù)再生生物結(jié)構(gòu)同樣也是醫(yī)學(xué)上一大技術(shù)難點，多細(xì)胞生物皮膚打印可以實現(xiàn)生物傷口愈合。Jorgensen等[60]將6種主要的人類皮膚細(xì)胞類型通過3D打印制造出由表皮、真皮層和真皮組成的三層皮膚結(jié)構(gòu)(圖10(c))。隨后將帶有人類細(xì)胞的生物打印皮膚移植到小鼠的表層傷口上，發(fā)現(xiàn)其促進了血管的快速形成，并形成了類似于天然人類表皮的表皮網(wǎng)絡(luò)。生物打印的皮膚移植物改善了上皮化，減少了皮膚收縮，并支持正常膠原組織，減少了纖維化，從而促進創(chuàng)傷的愈合。

微針仿真是一種利用生物啟發(fā)的方法來設(shè)計和制作的微針貼片，以實現(xiàn)在濕環(huán)境中的組織表面黏附和有效的藥物傳遞，實現(xiàn)組織內(nèi)局部用藥。受藍(lán)環(huán)章魚捕食時通過牙齒將毒液注射入獵物這一機制啟發(fā)，Zhu等[22]通過間接3D打印技術(shù)制備活性注射微針(圖10(d))，設(shè)計了具有優(yōu)異黏附能力和穿透軟組織或黏液屏障能力的微針貼片，實現(xiàn)組織內(nèi)局部用藥時的表面屏障穿透和可控藥物遞送。與傳統(tǒng)藥物傳遞方式相比，其具有更強的組織滲透能力、更有效的組織表面附著、控制藥物釋放、更好的生物安全性、更好的醫(yī)療效果等優(yōu)勢。

蚊子口器銳利的上頜可以輕易穿透表皮，引導(dǎo)軟腭至血管，同時其下唇還為入侵部分提供支撐，增加臨界彎曲力，避免插入力散失，這些機制使蚊子能夠在復(fù)雜的皮膚表面找到并定位血管，實現(xiàn)高效的血液吸取。Zhou等[61]受蚊子口器啟發(fā)提出一種仿生神經(jīng)探針系統(tǒng)(圖10(e))，該系統(tǒng)通過兩光子3D打印制造了微管道軌道模塊的基座，并集成了高靈敏度傳感器和高保真多通道柔性電極陣列。這種仿生神經(jīng)探針允許自定義和分布式植入，使可以在不同的腦區(qū)實現(xiàn)電極陣列的植入，從而實現(xiàn)電極陣列的植入以監(jiān)控大規(guī)模神經(jīng)活動。

生物褶皺細(xì)胞膜具有優(yōu)異可變性，其在腦皮質(zhì)層上可以提高動物智力，但納米褶皺結(jié)構(gòu)的制造是目前的一大挑戰(zhàn)。Fan等[23]提出一種自下而上的激光直接組裝策略，在單材料一步工藝中制造多維納米褶皺結(jié)構(gòu)(圖10(f))。通過使用激光直接組裝(FsLDW)技術(shù)，成功制造出納米皺紋結(jié)構(gòu)的3D微結(jié)構(gòu)。

2.4   其他功能

3D打印仿生結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)傳感、驅(qū)動功能，并在生物醫(yī)學(xué)工程上具有廣泛的應(yīng)用前景，也可以實現(xiàn)其他特殊功能如電磁波吸收、太陽能轉(zhuǎn)換、光學(xué)成像等。利用3D打印的靈活性和精確性，結(jié)合仿生學(xué)的原理，制造設(shè)計出具有復(fù)雜形狀和優(yōu)化性能的結(jié)構(gòu)，為未來的創(chuàng)新提供了巨大的潛力。

傳統(tǒng)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)電磁吸波吸收材料作為一種多功能材料在各種設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前的電磁波材料由于其結(jié)構(gòu)形態(tài)的各向異性，受到窄吸收帶寬限制。而蝴蝶翅膀具有優(yōu)異的幾何光學(xué)性質(zhì)和表面，這使其具有較強的電磁波吸收能力。

An等[62]受Parides sesostris蝴蝶翅膀上的陀螺超寬帶電磁波吸收超材料結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種新穎的電磁波吸收結(jié)構(gòu)單元(圖11(a))。這種仿生元結(jié)構(gòu)可通過投影光刻增材制造法(SLA)和浸漬涂層工藝制備的，并填充介電損耗材料。該仿生結(jié)構(gòu)具備寬吸收帶(2~40 GHz)和穩(wěn)定的頻率響應(yīng)。

圖11

生物體在自然界中演化出高效的能量轉(zhuǎn)換方式如光合作用，這些機制可以為工程應(yīng)用提供靈感。Wang等[24]設(shè)計了一種基于投影微立體光刻3D打印技術(shù)制作的仿生太陽蒸發(fā)器(圖11(b))，這種蒸發(fā)器模仿了樹木的蒸騰過程，即將水凝膠作為葉子，微通道作為植物莖內(nèi)的血管，實現(xiàn)高效的太陽蒸發(fā)。該生物太陽蒸發(fā)器具有快速的太陽蒸發(fā)速率(4.12 kg/(m2·h−1))和高能量轉(zhuǎn)換效率(92.1%)，且具有強大的水處理能力。

不同生物的視覺機制具有差異，例如昆蟲復(fù)眼由許多小的結(jié)構(gòu)單元組成，每個結(jié)構(gòu)單元都具有自己的視覺感受區(qū)域，針對不同環(huán)境所有單元捕捉來自不同方向的光線，實現(xiàn)空間位置識別來躲避追捕。Hu等[25]設(shè)計了一種利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制造的微型光電集成相機，并利用3D打印和紫外遮光固化的兩步法制備仿生復(fù)合眼透鏡(圖11(c))。它可以實現(xiàn)空間位置識別、對移動目標(biāo)軌跡監(jiān)測、與微流控芯片集成，用于微生物的實時監(jiān)測。



結(jié)論
本文綜述了采用增材制造技術(shù)制備的仿生結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能優(yōu)化和功能設(shè)計上的研究進展。隨著仿生技術(shù)和增材制造技術(shù)越來越成熟，增材制造與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合在未來也會日趨廣泛。目前利用增材制造技術(shù)制造仿生結(jié)構(gòu)的相關(guān)報道仍相對偏少，這也許與增材制造技術(shù)成型過程易產(chǎn)生缺陷相關(guān)，但是增材制造技術(shù)成型技術(shù)的靈活性始終是科研者們選擇它的一個堅定不移的理由。同時自然界中復(fù)雜結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的設(shè)計和制造技術(shù)的能力，這阻礙了仿生學(xué)研究的進展及其在工程系統(tǒng)中的使用。因此，增材制造技術(shù)為模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能結(jié)構(gòu)提供了新的機遇，這與增材制造逐層累加材料實現(xiàn)制備的成型特點離不開。采用增材制造技術(shù)制備仿生結(jié)構(gòu)不僅僅在吸能、強度、剛度上有良好的提升，而且還實現(xiàn)了傳感、驅(qū)動、醫(yī)學(xué)工程等功能，這充分證明了增材制造技術(shù)與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的重大意義。

目前利用增材制造技術(shù)制備仿生結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)力學(xué)性能和功能特性的突破這一點毋庸置疑，但是為了將增材制造技術(shù)和仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合得更好，還需要做到以下幾點：

(1)進一步研究自然界的合成機制，從而設(shè)計出可用于工程系統(tǒng)的仿生結(jié)構(gòu)。自然界創(chuàng)造生物體經(jīng)歷了相當(dāng)長的時間，相比之下增材制造技術(shù)作為一種人工制造技術(shù)，其發(fā)展時間仍非常短。因此了解自然界中材料形成過程的機制，可能會啟發(fā)我們找尋到一種以更短時間模擬自然生長過程的替代方法。因此將增材制造技術(shù)和仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不應(yīng)該僅僅是簡單地復(fù)制生物結(jié)構(gòu)，還應(yīng)該進一步深入了解合成這些天然材料的技術(shù)，這就需要我們對這些天然材料的形成機制有一個更深入的了解；

(2)自然界中的結(jié)構(gòu)材料一般是由多種材料組成(如蛋白質(zhì)、多糖等)，但仿生增材制造中使用的材料通常局限于聚合物、某些陶瓷材料和金屬材料，具有一定的局限性。因此拓寬可用于仿生增材制造的材料種類，來開發(fā)新型的復(fù)合材料，也是一個關(guān)鍵的研究挑戰(zhàn)；

(3)自然界中大部分生物結(jié)構(gòu)都是多尺度和多功能的，這些生物材料的多尺度結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)功能整合方面發(fā)揮著重要作用。目前大部分仿生增材制造技術(shù)僅僅是在復(fù)刻自然結(jié)構(gòu)的單一功能，其制造工藝還不能制造出多尺度、多功能的生物結(jié)構(gòu)。因此盡可能地去制備出多尺度、多功能的生物結(jié)構(gòu)是涉及多學(xué)科研究的一個持久挑戰(zhàn)；

(4)為更好地制備復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，還需要進一步改進3D打印技術(shù)。針對不同尺寸結(jié)構(gòu)開發(fā)相應(yīng)的3D打印工藝，來解決仿生結(jié)構(gòu)制備的多尺度挑戰(zhàn)。另外也可以將增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)低缺陷高強度材料制備。

總體而言，大自然的創(chuàng)造過程本身可以看作是一個增材制造的過程。大自然從一個單細(xì)胞開始，通過生長或從環(huán)境中獲取材料，逐漸添加到一個有機體中。這樣的過程可以激發(fā)新的增材制造技術(shù)以更有效和高效的方式創(chuàng)建更接近自然結(jié)構(gòu)的對象。了解自然結(jié)構(gòu)并通過3D打印復(fù)制它們并用于各種工程，將有力推動仿生學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。未來的生物3D打印研究將屬于多功能、多尺度、多材料和多維(4D打印)制造的范疇。仿生增材制造技術(shù)的發(fā)展將進一步為未來工程系統(tǒng)構(gòu)建下一代功能材料和結(jié)構(gòu)帶來突破。

參考文獻：略