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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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]。
 

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(jìn)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(jìn)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�？偠�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(jìn)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(jìn)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(hù)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]。
 

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(jī)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(jī)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)。
 

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(hù)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。
 

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))�？涨粌�(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(hù)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。
 

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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)技術(shù)進(jìn)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(jī)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。

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