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，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現，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化后的結構，其高度多孔的中心區域將兩個外部區域分開，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了整個牙齒的發育過程。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困難。

1.3   高剛度
 

玻璃海綿因復雜的玻璃狀骨骼結構而得名，是一種具有優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，發現隨著層厚度的增加，NCSs的強度和靈活性也增加。此外，發現與實心桿相比，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異韌性和高模量，這是由于其具有兩種不同對比排列所產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復合材料中因不連續陶瓷相導致硬/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、交通運輸等對質量敏感的行業。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、生物醫學及其他功能在3D打印仿生結構上的實現。

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，可設計和開發出具有類似感知能力的傳感技術和系統。通過對生物感知原理的理解和仿效，結合3D打印快速的成型優勢，制備性能優異、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，以滿足復雜環境中的感知需求，為醫學、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。
 

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意義。烏賊具有堅硬的磨骨結構，其可以在深海地區承受高水壓，這得益于其獨特的腔室壁隔結構能夠在高壓環境下實現高剛度和吸能，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、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鎖而成，當其受到壓力時，中心圓弧會被迫積累壓力從而發生變形，這非常利于其在狹小空間的變形。基于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，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，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了一種具有超靈敏特性和機械發光活性的復合材料(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光結構。目前傳統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增韌機制，Sun等[51]受血管平滑肌的啟發提出了一個軟自愈聚脲模型系統(圖8(d))，這種系統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同組裝引入核殼結構的液態金屬微滴，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，并可以利用3D打印技術實現快速生產。這全方位改善了傳統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，采用聚乳酸作為生物相容性基質，并添加光致發光的摻鎘稀土材料，溫度作為檢測的物理參數，利用3D打印技術制備了一種具有發光功能的種子狀飛翔器(圖8(e))。這種飛行器的發光特性是會隨著溫度的變化而變化，從而可實現擴大環境監測范圍的功能。水作為地球上系統的重要組成部分，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，發現其對揮發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，存在不同的運動規律。仿生驅動結構受到生物體運動機制和力學原理啟發，以實現高效、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、醫療設備等領域的運動控制和機構設計。
 

電驅動和磁驅動具有無接觸、無摩擦、高效率、高可靠性的優點。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運動。Li等[54]通過對金屬玻璃的結構設計和激光加工參數的調控，成功設計出類似于含羞草具備優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，結構發生擴張和收縮來實現運動。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。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，實現了在復雜設備中的無縫集成，從而實現復雜的多樣化運動。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加熱，從而實現局部剛度控制，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，能夠實現了單氣源下的雙向運動控制。

2.3   生物醫學工程

隨著增材制造技術的發展越來越成熟，其在醫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打印在醫學領域的應用突破了很多醫學技術的瓶頸，解決了骨骼、關節、半月板和皮膚再生技術，組織內部用藥、神經植入監控技術等醫學難題。3D打印生物結構在生物醫學工程上的運用越來越受到人們的重視，該項技術在醫學上的應用在未來的發展前途不可估量。
 

在醫學上，骨骼、關節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出器官芯片將為組織工程技術[56]帶來突破。Zhang等[57]使用數字激光處理(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中，驗證了其具有良好機械和生物學特性。膝關節半月板結構的再生是科學和轉化的挑戰，Yan等[59]受半月板自然成熟和再生過程的啟發，開發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學上一大技術難點，多細胞生物皮膚打印可以實現生物傷口愈合。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，發現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，從而促進創傷的愈合。

微針仿真是一種利用生物啟發的方法來設計和制作的微針貼片，以實現在濕環境中的組織表面黏附和有效的藥物傳遞，實現組織內局部用藥。受藍環章魚捕食時通過牙齒將毒液注射入獵物這一機制啟發，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、更好的醫療效果等優勢。

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，實現高效的血液吸取。Zhou等[61]受蚊子口器啟發提出一種仿生神經探針系統(圖10(e))，該系統通過兩光子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。這種仿生神經探針允許自定義和分布式植入，使可以在不同的腦區實現電極陣列的植入，從而實現電極陣列的植入以監控大規模神經活動。

生物褶皺細胞膜具有優異可變性，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。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傳感、驅動功能，并在生物醫學工程上具有廣泛的應用前景，也可以實現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化性能的結構，為未來的創新提供了巨大的潛力。

傳統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的各向異性，受到窄吸收帶寬限制。而蝴蝶翅膀具有優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，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)和穩定的頻率響應。
 

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器(圖11(b))，這種蒸發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，實現高效的太陽蒸發。該生物太陽蒸發器具有快速的太陽蒸發速率(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域，針對不同環境所有單元捕捉來自不同方向的光線，實現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))。它可以實現空間位置識別、對移動目標軌跡監測、與微流控芯片集成，用于微生物的實時監測。



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，而且還實現了傳感、驅動、醫學工程等功能，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的仿生結構。自然界創造生物體經歷了相當長的時間，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，來開發新型的復合材料，也是一個關鍵的研究挑戰；

(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功能整合方面發揮著重要作用。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；

(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相應的3D打印工藝，來解決仿生結構制備的多尺度挑戰。另外也可以將增材制造技術和傳統制造技術相結合，實現低缺陷高強度材料制備。

總體而言，大自然的創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新的增材制造技術以更有效和高效的方式創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展將進一步為未來工程系統構建下一代功能材料和結構帶來突破。

(責任編輯：admin)

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