增材制造仿生結構的力學性能優(yōu)化及其功能設計研究進展

來源：復合材料學報. 2024年第9期
作者：李家雨, 付宇彤, 李元慶, 等. 增材制造仿生結構的力學性能優(yōu)化及其功能設計研究進展[J]. 復合材料學報, 2024, 41(9): 4435-4456. doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.004

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

仿生結構受自然界動植物巧妙結構的啟發(fā)，通常會表現(xiàn)出卓越的力學性能；同時，這類結構也受動植物維系生命功能天然設計的啟發(fā)，能夠表現(xiàn)出多種功能特性[1]。得益于仿生結構突出的力學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)學等領域都具有廣泛的應用背景。

為實現(xiàn)不同性質、不同功能，可對不同生物結構進行仿生設計。部分生物結構具有高強度、高韌性等優(yōu)異力學性能[1]，事實證明這些天然生物材料擁有優(yōu)異的力學性能來源于其層次性結構[2]，例如骨骼表現(xiàn)出高強度和韌性就是由于其7個層次結構中的多種機制[3-6]，而蜘蛛絲的高抗拉強度和大延展性則歸因于其復雜的層次結構[7-8]，這使其在對力學性能敏感領域的運用具有天然的優(yōu)勢，力學性能優(yōu)化的仿生結構應運而生。這些仿生結構通過借鑒天然動植物，將管狀、夾心、蜂窩結構引入設計中，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，利用增材制造技術制備結構復雜精巧，接近于天然結構的仿生構型是相較于傳統(tǒng)制備方法更合適的一種選擇。此外，為了讓材料和結構擁有多功能性、高性能、智能響應等特性，可通過仿生設計來改善材料組分、細化內部結構。目前航天航空、機械工程及生物醫(yī)學領域較重要的功能仿生結構主要和傳感、驅動、愈合等相關。傳感仿生結構往往具有高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性及可靠性等特征，它們可以實現(xiàn)復雜自然和生理環(huán)境的監(jiān)測[9]。驅動仿生結構主要通過模仿不同生物的運動和結構來實現(xiàn)驅動功能，而不同的仿生模式會使它們擁有不同的輸出機制。這些具有驅動功能的仿生結構往往因其高輸出力、高速度、高分辨率等特點具有廣泛的應用[10]。具有醫(yī)學功能的仿生結構則是從天然生物的結構、功能和行為中尋找靈感，并將生物學原理和材料科學和工程相結合，從而促進生物材料、藥物運輸、組織工程、醫(yī)療設備和仿生假肢等各個領域的創(chuàng)新[11]。本文將對圖1[12-25]所示的力學和功能特性進行總結，并介紹目前增材制造(3D打印)仿生結構及其功能的研究發(fā)展。當今，增材制造因其在制造復雜結構、設計自由度、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)學等眾多領域也已具有廣泛應用[27-29]。此外增材制造在仿生設計中的應用也早已變得十分深入，增材制造對于很多復雜的生物結構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雜的生物結構，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構[26]，但在常見的增材制造方法當中，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量差、印刷速度慢及尺寸受限等問題，這也是增材制造當中必須解決的難題[32]。

圖1

仿生學是一門古老而又年輕的學科，但是受傳統(tǒng)加工方式的制約，很多仿生結構難以利用傳統(tǒng)技術制造出來。增材制造技術作為近年來快速發(fā)展的一項先進制造技術，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，因此能夠制造結構復雜的零部件，從而促進仿生學的發(fā)展[33]。但是，當前仿生結構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和仿生結構設計結合得更好，還需要更多的努力�？偠�言之，隨著增材制造技術的發(fā)展，其與仿生結構設計的結合在未來會越來越成熟，增材制造仿生結構將會在更多領域發(fā)揮至關重要的作用。

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

1 3D打印仿生結構力學性能優(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、高強結構，以此來抵抗外界的復雜沖擊荷載來保護自身的完整，滿足生存的需要。生物輕質高強結構的優(yōu)越性啟發(fā)了科研和工程人員采用結構仿生學的方法來優(yōu)化結構的力學性能。例如，通過借鑒自然界中竹子、瓢蟲、肌腱等生物結構，發(fā)展具有輕質高強特點的仿生結構。隨著增材制造技術的蓬勃發(fā)展，復雜的仿生結構得以實現(xiàn)。3D打印仿生結構可以在吸能、強度、剛度等力學性能上對傳統(tǒng)結構優(yōu)化。國內外學者通過仿生學和增材制造技術設計制備了仿生吸能結構、高強度結構、高剛度結構。這些結構在航空航天、汽車和體育器材等對強度、剛度有嚴苛需求的行業(yè)具有很好的應用前景。本文總結的仿生結構在力學性能上的優(yōu)化情況如表1所示[12-17, 34-48]。

表1

1.1   吸能

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

1.1.1   管狀結構

薄壁管狀結構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部結構使其具有強大的吸能能力。無論在宏觀和微觀上，生物結構中都存在著管狀結構。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部微觀結構都存在著桿狀的結構，這些動植物天然的管狀結構使他們具有強大的抗沖擊能力，從而具有強大的吸能特性。很多學者受到這些管狀結構的啟發(fā)，利用增材制造技術實現(xiàn)仿生管狀結構的快速制造，從而使仿生結構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胞的有機結合(又稱基質組織)是維持竹子優(yōu)異力學性能的主要原因，并受竹子內部結構啟發(fā)，設計了一種由1個仿生節(jié)點和3個仿生內管組成的薄壁吸能抗沖擊結構(圖2(a))。在沖擊實驗中，此薄壁結構的單位質量吸收能量(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構的特征，提出了一種嵌套蜂窩管結構(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)金屬蜂窩結構(35 J/g)和新型自相似規(guī)律性分叉蜂窩(最大42 J/g)。

圖2

瓢蟲鞘翅的內部微觀結構中，存在許多形狀的小型獨立薄壁結構，包括三角形、矩形、六邊形和圓形，并且在這些獨立薄壁結構中心還存在一個空心圓柱管，這種雙管薄壁結構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，設計出一種新型仿生雙管薄壁結構(Bionic bi-tubular thin-walledstructure，BBTS)(圖2(c))。在軸向動態(tài)沖擊載荷作用下，當內壁厚度在1.6 mm至2.0 mm時，該結構表現(xiàn)出最佳的碰撞性能。此外，當內壁厚度為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結構在能量吸收能力方面比原始的仿生結構提高了10%。

肌腱的橫截面上存在7個層次結構，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構中控制著肌腱的強度和韌性，本質上這些都是一個單向結構，但不同階數(shù)結構的組合使肌腱具有強大的力學性能，因此Tsang和Raza[35]根據(jù)這一特點設計了可以利用增材制造技術生產(chǎn)制備的仿肌腱管狀分層管(圖2(d))，發(fā)現(xiàn)當層次結構嵌套了該管狀結構后，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%。因此引入該層次結構顯著提升了層次結構的能量吸收能力。這些仿生薄壁管狀結構相較于傳統(tǒng)管狀結構在吸能特性上得到了顯著的提升。不僅僅對于管狀結構，泡沫結構也是一種理想的仿生吸能結構。

1.1.2   泡沫結構

泡沫結構是一種典型的多孔輕質結構。當外力作用于泡沫結構時，泡沫支撐部分的形變和內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，泡沫結構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量。國內外已經(jīng)把高性能泡沫結構作為承載的結構在航空航天、交通運輸?shù)阮I域使用。

圖3

絲瓜海綿具有大孔和微孔的分層細胞結構，而大孔周圍堅硬的內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胞結構將薄壁碳纖維增強聚合物管嵌入到鋁泡沫中，構建了一種類似葫蘆海綿的分層泡沫結構(圖3(a))。此結構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，蓮藕也為學者們的泡沫結構設計提供了新的素材。蓮藕具有彼此平行的長圓柱形孔狀微觀結構，Tane等[37]參考此獨特的多孔結構，采用連續(xù)區(qū)域熔融的增材制造技術制備了一種圓柱形空腔多孔結構(圖3(b))�？涨粌炔康膱A柱形微結構沿固化方向排列，在動態(tài)壓縮下，發(fā)現(xiàn)該結構具有寬范圍的平臺應力區(qū)域(高達300 MPa，寬達45%)，因此其可吸收的能量比具有各向同性孔泡沫結構高6倍。以上兩種自然結構相對較軟，在自然界中還有一些相對較硬的泡沫結構。箱龜外殼是一種由層狀骨殼和內部閉孔泡沫骨網(wǎng)絡組成的三明治復合結構，其中骨層密度很大，泡沫層則具有較大的孔隙密度偏小，這樣的結構特點使其具有超強抗沖擊能力的同時，也保持著內部的生物行為。受其啟發(fā)Rhee等[38]設計了幾種能夠使用增材制造制備、與箱龜殼層結構類似的泡沫鋁結構(圖3(c))，并發(fā)現(xiàn)仿生泡沫結構與其他天然大孔泡沫結構的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，這樣的結構特性使其具有較高吸能性的同時還保持著質量輕的優(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，設計了一種類柚子皮的仿生多孔結構(圖3(d))，該結構不但具有散熱功能，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   夾心結構

夾心結構一般由柔軟的內層夾和兩個堅硬的外殼構成，該結構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1500 N的沖擊力而不發(fā)生災難性斷裂，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。參考此結構，Yang等[40]設計出一種新型的輕質仿生雙正弦波紋(Double-sine corrugated，DCS)夾層結構(圖4(a))，該結構模仿螳螂蝦外殼利用兩個不同的波紋方向來增強結構吸收能量的能力。并對該結構進行準靜態(tài)均勻壓縮實驗，結果顯示與常規(guī)正弦波紋芯夾層結構相比，仿生雙正弦波紋(DCS)夾層結構的比吸收能量SEA是其1.7倍。這為利用增材制造制備能量吸收結構提供了新的設計思路和方法。

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構(圖4(b))。然而，與傳統(tǒng)的蜂窩狀結構不同的是，啄木鳥喙的蜂窩狀結構的細胞壁呈波浪形正弦結構狀，這種波浪狀結構可以提高鳥喙的硬度、吸能性能和損傷容忍度。基于此，Ha等[42]設計了一種新型仿生多孔蜂窩夾層板(圖4(c))，板壁被設計成波浪狀，并對這種新型夾層板進行納米壓痕測試，結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準蜂窩夾層板的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，為加強夾心層結構提供靈感。

Sun等[43]受此啟發(fā)設計了一種加強夾層結構的軟蜂窩芯(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)格即充當著樹葉的強韌脈。隨后對其進行面內壓縮實驗，結果表明，加強夾層結構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%。這種加強夾層結構為使用增材制造開發(fā)更高性能的輕質夾層結構提供了一種新穎的設計思路。

目前在仿生吸能結構領域中，通過模仿生物結構可以設計出更輕便和高強度的材料，這些仿生結構可以吸收更多的能量，具有超高的抗沖擊性能。但是由于仿生結構的拓撲復雜性，需要使用3D打印等先進技術進行生產(chǎn)，這會增加其生產(chǎn)成本。對于一些使用3D打印生產(chǎn)的仿生結構，還會由于打印技術的局限影響仿生結構的力學性能，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構通常具有多層級、梯度性、特殊幾何形狀等特點。得益于這些結構形態(tài)的啟發(fā)，人們發(fā)展了多種高強度仿生結構。伴隨著與纖維增強復合材料等輕量化材料的結合，這些擁有高強度、高耐用性的仿生結構在航空航天等工程領域中有廣泛的應用前景。

1.2.1   高強度蜂窩結構

蜂窩結構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，此結構特征使應力能夠均勻分布到整個結構中，而不會集中在特定區(qū)域，均勻的應力分布有助于減少應力集中和損傷的可能性，提高結構的強度和韌性。此外蜂窩結構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力的作用，減少結構的變形和破壞風險。這種獨特的機制使蜂窩結構具有強大的承載能力，并讓蜂窩結構成為熱門的仿生結構之一。

圖5

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

柚子皮具有分層蜂窩內部結構，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)中起著至關重要的作用。Zhang等[44]受柚皮結構特點的啟發(fā)，設計了一種新型具有分層多孔結構的六邊形材料(圖5(b))。分層蜂窩結構的比能量吸收相較于標準蜂窩結構提高了約15%。通過增加結構層次和修改柚子皮蜂窩的幾何尺寸，該結構具有更好的抗壓性和能量吸收能力。

蜘蛛網(wǎng)在結構上類似于蜂窩狀結構，但相較于常規(guī)單層蜂窩結構，蜘蛛網(wǎng)分層蜂窩拓展了單級蜂窩宏觀力學性能空間，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]設計出一類擁有蛛網(wǎng)層次的多孔蜂窩結構(圖5(c))，分別采用了一級和二級層次結構。隨后壓縮實驗結果表明一級蛛網(wǎng)、二級蛛網(wǎng)等級蜂巢的比強度相較于普通蜂窩結構分別增加了62.1%、82.4%。這樣的結果為設計具有更高強度的分層材料提供了有價值的參考。

1.2.2   高強度陀螺結構

在自然界中，一些生物體或結構具備類似陀螺結構的特征，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，基于陀螺原理設計和構建的結構，在航空航天、慣性導航、機器人等領域具有廣泛應用。它們具備出色的強度和穩(wěn)定性，能夠滿足復雜環(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構之一，其海膽刺的強度重量比高于磚和混凝土，這是由于極多孔結構引起的裂縫圍合效應。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。受到海膽結構的啟發(fā)，Peng等[15]參考三周期最小表面細胞結構核心(Triply periodic minimal surface，TPMS)采用3D打印技術、實驗、理論公式和數(shù)值模擬相結合的方法研究了一類新型輕質陀螺結構(圖6(a))。隨后他們對這種新型陀螺結構進行了三點彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，當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多孔陀螺雜化結構。從力學角度看，蝴蝶翅膀是一種針對彎曲荷載進行優(yōu)化后的結構，其高度多孔的中心區(qū)域將兩個外部區(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))。這種內部多孔區(qū)域的拓撲結構不僅使結構的剛度最大化，還能使其質量最小化。Pelanconi和Ortona[16]通過觀察蝴蝶翅膀的鱗片設計出一種超輕陀螺結構(圖6(b))，并采用立體光刻3D打印技術將塑料部件打印成主體結構，并將碳纖維增強筋取代肋骨連接到主體結構。彎曲試驗結果表明碳纖維加固后的結構的最大承受荷載比未加固結構提高了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構。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成的高強度生物復合材料陀螺結構，這對于最堅固生物材料領域是一項重大突破，同時也為增材制造制備出最堅固材料提供了可能。

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

1.3   高剛度

圖7

玻璃海綿因復雜的玻璃狀骨骼結構而得名，是一種具有優(yōu)異機械性能的輕質結構。曲霉是一種玻璃海綿結構，其骨架系統(tǒng)具有對稱自由空間的多孔結構，由硅陶瓷的微小纖維和構成玻璃海綿(Euplectella aspergillum，EA)海綿骨架的有機成分組成。Tavangarian等[47]模擬曲霉EA 海綿的針狀結構，開發(fā)并使用增材制造技術制備了一種改善桿力學性能的新結構(圖7(a))。該結構將不同直徑的圓柱體嵌入圓柱結構中形成嵌套圓柱結構(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構的能量吸收和裂紋折射、分叉和橋接等增韌機制。

自然界中珍珠結構兼具優(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)生的獨特的層次結構(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構(圖7(b))，分別是珠層柱狀(Nacre columnar，NC)和珠層片狀(Nacre sheet，NS)，其力學性能表征結果表明，與整齊的NC樣品相比，珠層結構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，而與純幾何結構相比，NS結構的沖擊、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)復合材料中因不連續(xù)陶瓷相導致硬/軟界面處的應力集中，從而維持較高的力學性能。因此Sun等[17]通過模仿螳螂蝦外殼的這種雙連續(xù)結構(圖7(c))，使通過用增材制造制備的陶瓷復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。

高剛度仿生結構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�質量敏感的行業(yè)。但是其復雜的結構設計可能會導致制造成本的增加，且結構在層間耦合較差時，其性能可能會受到影響。最后這些仿生結構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)結構的高剛度。

2 3D打印仿生結構功能化設計及應用

3D打印仿生結構不僅可以明顯提升其力學性能，而且可以拓寬其功能。通過功能化的設計，3D打印仿生結構在更多領域得到了運用。本章討論3D打印仿生結構功能化設計及應用，總結了傳感、驅動、生物醫(yī)學及其他功能在3D打印仿生結構上的實現(xiàn)。

2.1   傳感功能

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

圖8

自然界中一些生物結構對于仿生壓電傳感結構的設計具有啟發(fā)意義。烏賊具有堅硬的磨骨結構，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構能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)高剛度和吸能，這樣的結構特點使其成為傳感器設計的絕佳模型，因此He等[18]構建了一種模仿烏賊骨骼的生物結構(圖8(a))，通過3D打印技術制備，并在該結構中生長了環(huán)保的壓電晶體，從而形成了一種具有高強高韌力學性能和壓電傳感功能的可持續(xù)、可修復附加保護層。如今對于這種仿生壓電傳感結構的設計，它們的靈敏度、遲滯都得到了較好的改良。傳統(tǒng)的仿生結構傳感器在高壓場景下的應用范圍有限，在中壓場景下遲滯高，而仿生壓電傳感結構則具有較高的靈敏度和檢測能力。跳蚤腿的肌肉結構由兩個圓弧結構聯(lián)鎖而成，當其受到壓力時，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�；�于3D打印技術，Guo等[49]制備了一種可重構仿跳蚤柔性壓力傳感器(FPS)(圖8(b))，并通過定制專用結構參數(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)、重復性高(10 kPa時為6000次)、遲滯低(1.3%)、響應時間快(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。這對于設計出高靈敏度、低遲滯的仿生壓電傳感結構是一大突破。

受到生物學啟發(fā)，學者們設計了用于測定物體或結構應變的仿生傳感器。在自然界中，活細胞可以實現(xiàn)將細胞外的機械刺激轉化為細胞內生化信號。因此，基于3D打印技術，Li等[50]模仿細胞的結構特點開發(fā)了一種具有超靈敏特性和機械發(fā)光活性的復合材料(圖8(c))，即將水凝膠嵌入鞭毛藻使其對應力具有近乎瞬時的超靈敏生物發(fā)光響應，其響應時間為15~20 ms，隨后利用這種活體復合材料3D打印成具有高空間分辨率的大尺度機械發(fā)光結構。目前傳統(tǒng)的軟質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，這是由于其結構本質上通常具有核-殼結構，其中其薄的外殼被強度相對較高的細胞骨架細絲包圍，而大的內核則主要包含流體粘性物質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)同組裝引入核殼結構的液態(tài)金屬微滴，在不犧牲柔軟度的情況下，其抗裂應變和斷裂韌性分別提升了12.2倍和34.9倍。斷裂韌性可達(111.16±8.76) kJ/m2，甚至高于Al和Zn合金的斷裂韌性。此外，合成的仿生結構在局部近紅外照射下具有快速的自愈動力學(1 min)和超高的介電常數(shù)，并可以利用3D打印技術實現(xiàn)快速生產(chǎn)。這全方位改善了傳統(tǒng)軟質自愈材料的缺陷。

除了仿生壓電傳感結構和仿生應變傳感結構以外，自然界中的植物結構也對仿生溫、濕度傳感器的設計具有深刻的啟發(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，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域具有廣泛的應用。Esteves等[19]發(fā)展了一種基于離子液體結構的軟材料，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和電學信號，發(fā)現(xiàn)其對揮發(fā)性有機化合物的響應速度更快，即能夠更快速地感應其濕度。

2.2   驅動功能

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

圖9

電驅動和磁驅動具有無接觸、無摩擦、高效率、高可靠性的優(yōu)點。使其能夠在許多領域得到廣泛運用，如機器人、混合器、氣密驅動設備等。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動結合起來。Youssef等[20]使用了選擇性激光燒結(SLS)、熔融沉積建模(FDM)和CO2激光切割等多種增材制造技術設計了一種軟剛性混合機器魚(圖9(a))。使用伺服電機驅動的柔性鰭尾結構來為機器魚提供動力，并結合強化學習(RL)算法為其游動提供控制策略。磁驅動則是利用磁力來驅動機器或設備從而產(chǎn)生驅動。

Moradi等[53]首次報道了在截肢者假手的臨床手術中植入磁性標簽(圖9(b))，并采用了3D打印技術制造假肢拇指。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構設計和激光加工參數(shù)的調控，成功設計出類似于含羞草具備優(yōu)異抗疲勞性能的金屬仿生結構(圖9(c))。隨后通過磁棒的刺激，可實現(xiàn)金屬葉片的關閉和打開，即可控形狀變化。

氣動是在氣體壓力的作用下，結構發(fā)生擴張和收縮來實現(xiàn)運動。人體肌肉的收縮和擴張，涉及的結構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)復雜、逼真的運動。該結構利用3D打印技術由不同材料在不同尺度上制造，實現(xiàn)了在復雜設備中的無縫集成，從而實現(xiàn)復雜的多樣化運動。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的目標加熱位置鍵合，形成PGHN/PLA變剛度結構(圖9(e))。這種結構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計了一種氣動機器人，該機器人基于PGHN/PLA變剛度結構的局部剛度控制和形狀鎖定功能，能夠實現(xiàn)了單氣源下的雙向運動控制。

2.3   生物醫(yī)學工程

隨著增材制造技術的發(fā)展越來越成熟，其在醫(yī)學當中的運用也越來越廣泛和深入，3D打印生物結構具有靈巧、精密、耐久、適應性強等特點。3D打印在醫(yī)學領域的應用突破了很多醫(yī)學技術的瓶頸，解決了骨骼、關節(jié)、半月板和皮膚再生技術，組織內部用藥、神經(jīng)植入監(jiān)控技術等醫(yī)學難題。3D打印生物結構在生物醫(yī)學工程上的運用越來越受到人們的重視，該項技術在醫(yī)學上的應用在未來的發(fā)展前途不可估量。

圖10

在醫(yī)學上，骨骼、關節(jié)等的再生恢復技術對于患者的術后生活尤其重要，因此這一技術的突破將造福人類，通過增材制造技術開發(fā)出器官芯片將為組織工程技術[56]帶來突破。Zhang等[57]使用數(shù)字激光處理(DLP)為基礎的3D打印技術成功制備了模仿骨組織結構的生物陶瓷支架(圖10(a))，可用于骨再生中的多細胞傳遞。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，在隨后的實驗和細胞培養(yǎng)中，驗證了其具有良好機械和生物學特性。膝關節(jié)半月板結構的再生是科學和轉化的挑戰(zhàn)，Yan等[59]受半月板自然成熟和再生過程的啟發(fā)，開發(fā)了一種有效的轉化策略，通過3D打印制造了仿生半月板支架(圖10(b))來結合自體滑膜移植以促進半月板再生，該支架含有豐富的內在間充質干細胞。此外，3D打印修復再生生物結構同樣也是醫(yī)學上一大技術難點，多細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構(圖10(c))。隨后將帶有人類細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。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)組織內局部用藥。受藍環(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打印技術制備活性注射微針(圖10(d))，設計了具有優(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。

生物褶皺細胞膜具有優(yōu)異可變性，其在腦皮質層上可以提高動物智力，但納米褶皺結構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構(圖10(f))。通過使用激光直接組裝(FsLDW)技術，成功制造出納米皺紋結構的3D微結構。

2.4   其他功能

3D打印仿生結構不僅可以實現(xiàn)傳感、驅動功能，并在生物醫(yī)學工程上具有廣泛的應用前景，也可以實現(xiàn)其他特殊功能如電磁波吸收、太陽能轉換、光學成像等。利用3D打印的靈活性和精確性，結合仿生學的原理，制造設計出具有復雜形狀和優(yōu)化性能的結構，為未來的創(chuàng)新提供了巨大的潛力。

傳統(tǒng)的蜂窩狀結構電磁吸波吸收材料作為一種多功能材料在各種設備中得到了廣泛的應用。然而，目前的電磁波材料由于其結構形態(tài)的各向異性，受到窄吸收帶寬限制。而蝴蝶翅膀具有優(yōu)異的幾何光學性質和表面，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構的啟發(fā)，提出了一種新穎的電磁波吸收結構單元(圖11(a))。這種仿生元結構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。該仿生結構具備寬吸收帶(2~40 GHz)和穩(wěn)定的頻率響應。

圖11

生物體在自然界中演化出高效的能量轉換方式如光合作用，這些機制可以為工程應用提供靈感。Wang等[24]設計了一種基于投影微立體光刻3D打印技術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，例如昆蟲復眼由許多小的結構單元組成，每個結構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]設計了一種利用飛秒激光雙光子聚合技術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合眼透鏡(圖11(c))。它可以實現(xiàn)空間位置識別、對移動目標軌跡監(jiān)測、與微流控芯片集成，用于微生物的實時監(jiān)測。



結論
本文綜述了采用增材制造技術制備的仿生結構在力學性能優(yōu)化和功能設計上的研究進展。隨著仿生技術和增材制造技術越來越成熟，增材制造與仿生結構設計的結合在未來也會日趨廣泛。目前利用增材制造技術制造仿生結構的相關報道仍相對偏少，這也許與增材制造技術成型過程易產(chǎn)生缺陷相關，但是增材制造技術成型技術的靈活性始終是科研者們選擇它的一個堅定不移的理由。同時自然界中復雜結構遠遠超出傳統(tǒng)的設計和制造技術的能力，這阻礙了仿生學研究的進展及其在工程系統(tǒng)中的使用。因此，增材制造技術為模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能結構提供了新的機遇，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。采用增材制造技術制備仿生結構不僅僅在吸能、強度、剛度上有良好的提升，而且還實現(xiàn)了傳感、驅動、醫(yī)學工程等功能，這充分證明了增材制造技術與仿生結構設計相結合的重大意義。

目前利用增材制造技術制備仿生結構可以實現(xiàn)力學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和仿生結構設計結合得更好，還需要做到以下幾點：

(1)進一步研究自然界的合成機制，從而設計出可用于工程系統(tǒng)的仿生結構。自然界創(chuàng)造生物體經(jīng)歷了相當長的時間，相比之下增材制造技術作為一種人工制造技術，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和仿生結構相結合，不應該僅僅是簡單地復制生物結構，還應該進一步深入了解合成這些天然材料的技術，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)自然界中的結構材料一般是由多種材料組成(如蛋白質、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)新型的復合材料，也是一個關鍵的研究挑戰(zhàn)；

(3)自然界中大部分生物結構都是多尺度和多功能的，這些生物材料的多尺度結構在實現(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僅僅是在復刻自然結構的單一功能，其制造工藝還不能制造出多尺度、多功能的生物結構。因此盡可能地去制備出多尺度、多功能的生物結構是涉及多學科研究的一個持久挑戰(zhàn)；

(4)為更好地制備復雜的生物結構，還需要進一步改進3D打印技術。針對不同尺寸結構開發(fā)相應的3D打印工藝，來解決仿生結構制備的多尺度挑戰(zhàn)。另外也可以將增材制造技術和傳統(tǒng)制造技術相結合，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)新的增材制造技術以更有效和高效的方式創(chuàng)建更接近自然結構的對象。了解自然結構并通過3D打印復制它們并用于各種工程，將有力推動仿生學領域的發(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。仿生增材制造技術的發(fā)展將進一步為未來工程系統(tǒng)構建下一代功能材料和結構帶來突破。

參考文獻：略