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結構和材料的缺陷，從而實現高性能和功能的多樣化。增材制造(3D打印)技術可以實現復雜結構的成型，從而可以制備出具有優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、生物醫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化和功能方面。優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、醫學等有關。最后，本文對增材制造仿生結構的優勢、現有研究局限性和未來發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，通常會表現出卓越的力學性能；同時，這類結構也受動植物維系生命功能天然設計的啟發，能夠表現出多種功能特性[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、軌道交通甚至醫學等領域都具有廣泛的應用背景。
      為實現不同性質、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、高韌性等優異力學性能[1]，事實證明這些天然生物材料擁有優異的力學性能來源于其層次性結構[2]，例如骨骼表現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勢，力學性能優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、穩定性及可靠性等特征，它們可以實現復雜自然和生理環境的監測[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、醫療設備和仿生假肢等各個領域的創新[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、減少浪費和節約成本等方面的突出優勢，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]。
 

仿生學是一門古老而又年輕的學科，但是受傳統加工方式的制約，很多仿生結構難以利用傳統技術制造出來。增材制造技術作為近年來快速發展的一項先進制造技術，其逐層累加材料實現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。總而言之，隨著增材制造技術的發展，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化和功能上的實現情況。本文第一節主要介紹仿生結構在力學性能上的優化，第二節將從形態仿生、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越性啟發了科研和工程人員采用結構仿生學的方法來優化結構的力學性能。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展，復雜的仿生結構得以實現。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結構優化。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化情況如表1所示[12-17, 34-48]。
 

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間和節連接而成的圓筒形，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，利用增材制造技術實現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)是維持竹子優異力學性能的主要原因，并受竹子內部結構啟發，設計了一種由1個仿生節點和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，高于傳統金屬蜂窩結構(35 J/g)和新型自相似規律性分叉蜂窩(最大42 J/g)。
 

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]根據這一特點設計了可以利用增材制造技術生產制備的仿肌腱管狀分層管(圖2(d))，發現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。國內外已經把高性能泡沫結構作為承載的結構在航空航天、交通運輸等領域使用。
 

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，采用連續區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))。空腔內部的圓柱形微結構沿固化方向排列，在動態壓縮下，發現該結構具有寬范圍的平臺應力區域(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))，并發現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)，這優于大多數晶格或多孔金屬泡沫超材料，即在吸能上得到了優化。

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。
 

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均勻壓縮實驗，結果顯示與常規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現其上喙是呈多孔狀、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物質通過葉片，還有助于保持其形態，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格，這種網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，這會增加其生產成本。對于一些使用3D打印生產的仿生結構，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的啟發，人們發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。

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