重庆大学 l 增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展
重庆大学 l 增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展
增材制造技术因其成型方式的灵活性，非常适合制备复杂的仿生结构。这种技术能够模仿自然界中的多尺度、多材料和多功能结构，为仿生学研究提供了新的机遇。增材制造技术逐层累加材料的特点使其在制备仿生结构方面具有天然优势，不仅提升了结构的吸能、强度、刚度，还实现了传感、驱动、医学工程等多种功能。
近日，重庆大学课题组在《复合材料学报》上发表了《增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展》。本文将与读者共同探讨3D打印在仿生结构方面的技术逻辑。
仿生结构通过模仿自然界动植物的结构，展现出卓越的力学性能和多种功能特性。例如，仿生管状结构、泡沫结构、夹心结构相较于普通结构具有更强的吸能特性。高强度仿生蜂窝结构和陀螺结构相较于普通结构在强度和承载能力上有显著提升。高刚度仿生结构如改善杆力学性能的新结构、珠层结构和双连续结构在刚度、冲击、弹性模量和弯曲模量上相较于传统结构有显著提高。
仿生结构受自然界动植物巧妙结构的启发，通常会表现出卓越的力学性能；同时，这类结构也受动植物维系生命功能天然设计的启发，能够表现出多种功能特性。得益于仿生结构突出的力学性能和强大的功能特性，其在航空航天、新能源、轨道交通甚至医学等领域都具有广泛的应用背景。
增材制造的成形方式正好十分契合仿生结构的形成，因此在研究清楚生物机理后，采用增材制造技术可以制备出具有优越力学性能和多样化功能的仿生结构。
- 仿生管状结构、仿生泡沫结构、仿生夹心结构分别相较于普通管状结构、泡沫结构、夹心结构具有更强大的吸能特性；
- 高强度仿生蜂窝结构（受马蹄启发的仿生蜂窝结构、多孔蜂窝结构）相较于普通蜂窝结构强度分别提升43.8%和62.1%、82.4%；高强度仿生陀螺结构（新型轻质TPMS芯夹层结构、受蝴蝶启发的超轻陀螺结构）相较于其常规结构具有更好的承载能力；
- 高刚度仿生结构中，一种改善杆力学性能的新结构与实心杆相比，具有更高的刚度；两种珠层结构与纯几何结构相比，结构的冲击、弹性模量和弯曲模量分别提高了36%、29%和37%；双连续结构与纯陶瓷材料相比韧性提高了约116倍；
- 通过模仿自然界中乌贼、跳蚤、细胞血管等生物结构对压电、应变、温度、湿度的感知特性，再采用增材制造技术制备的仿生传感结构具有性能优异、灵敏度高、适应性强的特点；
- 通过模仿巴沙鱼、生物肌肉结构、含羞草等的运动机制，利用增材制造技术灵活制造的仿生驱动结构具有结构复杂、精度高、驱动性能好的特点；
- 3D打印生物结构模仿生物结构灵巧、精密、耐久、适应性强的特点在医学领域的应用突破了很多医学技术的瓶颈，解决了骨骼、关节、半月板和皮肤再生技术，组织内部用药、神经植入监控技术等医学难题；
- 通过模仿蝴蝶翅膀结构、树木的蒸腾过程、昆虫复眼的特点，利用增材制造技术制备，分别实现了电磁波吸收、太阳能转换、光学成像的功能。
随着仿生技术和增材制造技术越来越成熟，增材制造与仿生结构设计的结合在未来也会日趋广泛。目前利用增材制造技术制造仿生结构的相关报道仍相对偏少，这也许与增材制造技术成型过程易产生缺陷相关，但是增材制造技术成型技术的灵活性始终是科研者们选择它的一个坚定不移的理由。同时自然界中复杂结构远远超出传统的设计和制造技术的能力，这阻碍了仿生学研究的进展及其在工程系统中的使用。所以增材制造技术为模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能结构提供了新的机遇，这与增材制造逐层累加材料实现制备的成型特点离不开。采用增材制造技术制备仿生结构不仅仅在吸能、强度、刚度上有良好的提升，而且还实现了传感、驱动、医学工程等功能，这充分证明了增材制造技术与仿生结构设计相结合的重大意义。
本文原文来自《复合材料学报》，作者为李家雨、付宇彤、李元庆、付绍云，重庆大学航空航天学院。