从树根到鲨鱼肠：3D打印与仿生学的十大创新应用
从树根到鲨鱼肠：3D打印与仿生学的十大创新应用
3D打印和仿生学的结合正在推动创新的边界。从鞋子到建筑，从时尚到医疗，这种技术融合正在创造出前所未有的解决方案。
剑桥大学将仿生学定义为“在技术和工业设计中模仿自然过程的实践”。尽管将技术进步带回自然世界似乎有些矛盾，但这种方法实际上是由工程师和科学家日益认识到大自然通常提供最佳的设计解决方案所驱动的。此外，随着3D打印技术的发展，这些复杂的设计变得可行，不像减材技术的局限性。这就是为什么我们决定在下面的列表中探索一些结合3D打印和仿生学的项目，以便更好地了解增材制造如何使我们能够将这些优化的模型变为现实。
Earth Moc：通过仿生学进行创新
3D打印鞋子不再是新鲜事：阿迪达斯、新百伦和耐克等大品牌使用增材制造来制造模型。然而，这并不意味着创新就此停止。除了3D打印之外，一些设计师还整合仿生学来开发更高效的解决方案，如Earth Moc项目所示。这款鞋由Daniel Shirley为Sintratec 2022年3D打印鞋设计大赛设计，其灵感来自于交织的树根和藤蔓，可提供最大的舒适度和灵活性。设计师希望这款由TPE制成的轻质鞋可以在远足甚至轻度运动后用作恢复鞋。
AguaHoja馆
AguaHoja展馆位于旧金山，高5米，具有复杂的“图腾”形结构。这一宏伟的创作是Neri Oxman、The Mediated Matter Group和Stratasys之间合作的成果。受大自然的启发，展馆的设计融合了一系列主要由有机材料制成并由水塑造的文物。使用Stratasys F900 3D打印机增材制造制成的框架支撑着整体，确保了每个单独组件的凝聚力。该项目还包括环保三聚氰胺玻璃结构的建筑方案。“我们需要安全地抑制黑色素生成结构，同时又不影响促进各个级别视觉细节的能力，”Neri Oxman解释道。
时尚、科技与自然的结合
美国设计师Zac Posen凭借3D打印作品在2016年Met Gala上引起轰动。他与GE Additive和Protolabs合作，利用增材制造技术设计了一件连衣裙、一件紧身胸衣和各种配饰，供晚会的某些明星穿着。Zac Posen为Jourdan Dunn所穿的连衣裙设计灵感来自于玫瑰的形状。他创造了一个由21个3D打印树脂花瓣组成的结构，每个花瓣长约50厘米，重约半公斤。女演员妮娜·杜波夫(Nina Dobrev)穿着采用SLA解决方案3D打印的半透明胸罩，其设计给人一种让人想起流动水的玻璃效果。在Protolabs德国工厂生产这些零件总共需要200多个小时。
“生命之塔”：受仿生学启发的建筑
“生命之塔”由Built by Associative Data设计和提出，是塞内加尔达喀尔的一个创新建筑项目，它将生态效率与传统的非洲设计结合起来。该结构采用先进的3D打印技术，结合了当地可生物降解的粘土膜。这有助于通过限制运输材料的使用来减少对环境的影响和建筑成本。受仿生学的启发，生命之塔作为一个正能量系统，管理资源、水和空气，同时以最小的排放维持微气候。该设计模仿自然形态，作为一个闭环系统运行，尊重当地的生态条件，为城市的可持续发展做出贡献。
螺旋鲨鱼肠管
受到鲨鱼肠道的螺旋设计的启发，华盛顿大学的研究人员利用3D打印开发了简化的仿生模型，这种设计可以减慢食物的运动速度，并通过重力和蠕动有效地将其向下引导。该项目涉及创建模仿这些肠道的柔软、灵活的结构，以了解其独特的设计如何促进液体的单向流动。这种仿生方法重点研究3D打印螺旋管的半径和厚度对流体动力学的影响。正在进行的研究表明，这些发现可能在软机器人、医疗和微流体设备以及工业管道方面具有重要应用。
具有网状结构的更安全的头盔
3D打印使想象直接受大自然启发的晶格结构成为可能：它们实际上类似于蜂窝。他们的设计非常智能，因为它允许仅将材料放置在必要的地方，从而优化零件的最终重量。这是运动领域特别有趣的一点，更具体地说是在防护装备方面。借助3D打印和仿生学，某些玩家想象出了更轻、更耐用、更舒适、最重要的是个性化的自行车头盔。KAV Sports甚至HEXR就是这种情况，借助增材制造技术，他们设想了一种能够更好地吸收冲击的头盔——它比传统头盔安全26%。我们还可以提到美式足球和Vicis Enhanced公司，该公司的头盔配备了受蜂窝启发的3D打印护垫。使用3D打印可以将头部与地面接触时的冲击力减少多达7%。
HEXR晶格结构头盔（图片来源：HEXR）
沃尔沃及其3D打印活水坝
在澳大利亚，悉尼港的海岸线部分受到海堤的保护，这损害了海洋物种的栖息地，迫使它们到其他地方寻求庇护。为了恢复沿海生态系统，瑞典汽车制造商沃尔沃与珊瑚礁设计实验室、悉尼海洋科学研究所(SIMS)和北悉尼市议会合作启动了一个保护项目。他们受当地红树林根部的启发，共同开发并3D打印混凝土瓷砖。这些瓷砖安装在现有的海堤上，形成空洞，作为牡蛎、鱼类和藻类等各种海洋物种的栖息地。这一举措帮助悉尼海岸重新引入海洋生物，恢复了沿海生态系统的基本平衡。
仿生学：3D打印鞋子传播种子
“Rewild the Run”项目是由英国设计师Kiki Grammatopoulos发起的。这些跑鞋旨在在跑步时携带和传播种子。它们如何工作？Kiki Grammatopoulos利用3D打印提供的灵活性来制作配有小钩子的鞋底。当他们跑步时，跑步者会收集沿路线散布的植物物质。这些鞋子的灵感来自于一种谨慎的自然物种：野牛，它用蹄子和毛皮传播种子，同时创造其他动物使用的路径。“Rewild the Run”的目标是重新绿化环境。随着城市空间的扩张，许多自然栖息地被破坏或减少。这些鞋子被视为恢复生态系统平衡的解决方案。
照片来源：Ecolosport
Pinarello模仿座头鲸以改善赛车的空气动力学性能
Pinarello是意大利著名的自行车制造商，是自行车界的标杆。此外，意大利场地自行车队正准备使用Pinarello自行车在下一届奥运会上卫冕。Pinarello始终寻求提高性能，并采用最新技术并从动物模型中汲取灵感。车架由3D打印制成，并集成了AirFoil部分以及AirStream技术，以改善自行车的空气动力学性能。后者是与阿德莱德大学和NablaFlow合作开发的，其灵感来自于座头鲸鳍上发现的结节。这些结节使鲸鱼能够灵活机动。在Pinarello自行车上，这些形状作为AeroNode安装在座杆上，可减少涡流并改善空气动力学性能。
照片来源：Pinarello
3D打印和仿生学：模具、粘合剂模型
贻贝以其将自己附着在船上的能力而闻名，这要归功于含有氨基酸二羟基苯丙氨酸（DOPA）的特定蛋白质。受这种天然粘合特性的启发，弗劳恩霍夫IAP和IGB的研究人员开发了一种用于医学的抗菌粘合剂。这种粘合剂可以通过3D打印应用于骨骼，从而通过促进骨骼粘合来促进关节损伤的修复。此外，它还可用于延长现有植入物的使用寿命，从而无需进行手术更换。
照片来源：Pixabay
仿生墙
“仿生墙”项目旨在提高人们对当前环境状况以及生态与建筑之间关系重要性的认识。这是通过3D打印创建的水培陶瓷墙，最初是因斯布鲁克大学与Studio cera.LAB和exparch.hochbau合作开发的硕士课程的一部分。墙面由固定在金属框架上的复杂陶瓷结构组成。为了创建这种结构，采用4mm喷嘴的3D挤出工艺至关重要，因为传统的制造方法是不够的。这堵墙的主要目标是将现代技术、建筑和环境意识结合起来。其多孔表面促进植物生长，从而改善密集城市地区的气候。此外，墙体对其环境做出反应，促进城市空间绿化，同时减少环境噪音。
照片来源：cera.LAB
保罗·卡斯泰利的灯
去年4月，家具公司Paolo Castelli推出了一款3D打印吊灯，其灵感来自蜂巢的有机结构，旨在提供平静的照明。该系列灯具采用露天陶瓷3D打印技术，与专门从事大幅面陶瓷挤压的意大利公司WASP合作制造。Paolo Castelli强调将可持续实践融入到这些灯具的生产中，使用天然陶瓷材料并通过3D打印过程最大限度地减少浪费。开发始于通过CAD创建3D模型。然后，采用了液相沉积建模（LDM）技术。这款灯的独特之处在于它是空气印刷的，当它落在自己身上时，形状可以自然形成。Paolo Castelli解释道：“当材料被印刷和干燥时，它会自发折叠，形成狭缝图案，柔和的光线可以通过狭缝图案逸出。这种精致的设计与材料的固有特性相融合，提供了可持续的照明系统，邀请您在户外享受放松的时刻。
照片来源：WASP