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2.挤压轻木结构

     轻木的结构是自然界的多孔材料之一，具有出色的强度重量比和刚度重量比，以及出色的能量吸收。康普顿等人制备了通过 3D打印生产的轻木仿生结构（图 4A）。Malek等人制造了一种受轻木启发的轻质蜂窝结构，该结构具有纤维增强复合材料细胞壁并产生优异的机械性能（图 4B）。打印材料的纵向杨氏模量可达57 GPa（超过木质细胞壁材料的纵向模量）。另一种仿生纤维素材料是类真菌粘合剂材料（FLAM）。受真菌卵菌壁的启发，Sanandiya 等人发明了一种使用甲壳素作为基质、纤维素纤维和木地板作为增强材料来制造复合材料的新方法。这种方法创建的 FLAM 具有坚固、轻便和节省成本的优点（图 4C）。除了场辅助 3D 打印来制造超材料，Jordan 等人发明了一种旋转 3D 打印方法，该方法允许在树脂基体中对短纤维进行空间控制排列，同时调整打印速度和喷嘴旋转速度来生产短碳纤维-环氧树脂复合材料（图 4D）。与不旋转打印的样品相比，通过旋转可以生产具有更高负载、更高断裂前刚度和更好能量吸收效率的材料。

图 4.示意图说明了轻木中排列的纤维结构。(A)具有对齐的SiC /C 纤维的 3D 打印三角形蜂窝复合材料的光学图像（康普顿和刘易斯，2014 年）；(B)模拟受轻木启发的多孔复合材料的多尺度方法示意图。不同的颜色代表在细胞结构水平上具有不同纤维取向的八层（Malek et al., 2017）；(C)类真菌材料的超分子组织 ( Sanandiya et al., 2018 )；(D)示意图显示了通过旋转喷嘴旋转 3D 打印以获得螺旋图案时的纤维取向（Raney 等人，2018 年）。

3.珍珠层结构

珍珠层的结构是自然界中最常见的仿生设计，这种结构可以用作体育用品、航空航天和其他相关领域的轻质、坚固的防护罩。特兰等人还提出了一种制造受珍珠层启发的基于 Voronoi 的复合结构的 3D 打印方法（图 5B），这使得制造各种潜在应用的轻质和坚固结构成为可能。Yang等人提出了一种通过 3D 打印的方式来制造受珍珠层启发的多功能设备的新方法（图 5C）。进一步开发了具有独特性能的多材料珍珠层启发设计，并将它们组装成一层以模仿珍珠层的结构，然后进行 3D 打印以进行冲击测试（图 5D）。

图 5.示意图说明了珍珠层的微观结构。(A)受珍珠层启发的结构的 3D 打印，由有限元 (FE) 模型引导 ( Gu et al., 2016 )；(B)鲍鱼壳的微观结构显示砖和砂浆结构( Tran et al., 2017 )；(C)电辅助3D打印制作的具有各向异性电学特性的珍珠层模型和自感应智能头盔( Yang et al., 2019 )；(D)受海螺壳启发的三层碳酸钙交叉层状结构的 3D 打印 ( Gu et al., 2017 )。

4.变形材料

仿生结构和仿生运动可以很大程度改善人造材料的机械性能。阿尔斯兰等人发现了一种仿生设计，该设计应用了由温敏性差的填料 [聚 (乙二醇) (PEG)] 和温敏性增强聚合物 [聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM)] 制成的线性水凝胶致动器（图 6B）。此外，具有各向异性PEG排列的3D结构可以实现大约 210% 的线性驱动，在与PEG增强方向垂直和纵向的方向上具有大约 110% 的应变。从收缩到膨胀状态的主要驱动方向比横向方向（接近 20% 应变）高约六倍，并且可以通过 PEG 模式的对齐来控制运动。

图 6.通过 3D 打印表示变形材料结构的示意图。(A)松果结构示意图及刺激下的变形行为( Ren et al., 2019 )；(B) 3D 打印水凝胶双层结构的程序化运动 ( Arslan et al., 2019 )；(C)两种激活的形状记忆花瓣状结构和可逆致动器的设计原理( Mao et al., 2016 )；(D)从象鼻中汲取灵感的 3D 打印仿生软执行器 ( Schaffner et al., 2018 )。

 总结

经过数百万年的进化，天然结构和材料已经进化出优异的机械性能。但这些自然结构往往过于复杂，传统制造技术无法企及。增材制造（3D 打印）在仿生结构的设计和建造中显示出巨大的优势。机械增强结构仿3D打印的进一步发展将取决于材料和结构的发展，以进一步提高拉伸模量、抗冲击性和韧性。此外，还需要开发新的 3D 打印工艺，例如更高的分辨率、多材料能力、更大的打印面积和更低的制造成本。

最近，仿生3D打印的研究已经从单一功能特性的研究转变为多功能特性的研究，因为大多数天然结构都具有多功能特性（例如机械/电/热特性的组合）。由于尺度差异和材料差异，多材料复制受珍珠层启发的结构仍然存在局限性。使用多种聚合物，而天然珍珠层通过结合陶瓷和聚合物可开发出优异的结构。

外部场辅助3D打印技术在构建仿生结构方面表现出出色的能力，但目前打印样品的尺寸仅限于厘米。为车辆、装甲和航空航天工程的实际应用建造大型结构仍然具有挑战性。幸运的是，当今制造和技术环境的快速发展正在推动仿生 3D打印技术的进步。总体而言，了解自然结构的机制可以激发3D打印工艺的发展，这些工艺将在未来的工程应用中发挥重要作用，例如防弹衣、机械臂、药物输送等。