吉林大学张志辉教授团队——智能仿生结构:通过增材制造连接自然和科技

来源：机械工程学报

增材制造（快速成形）技术已在我国发展 30 余年，为向全球学者介绍中国的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 执行主编李涤尘教授的带领下，组织策划了“中国增材制造 30 年发展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通过十余个国内增材制造领域的代表性团队的高质量论文，向大家介绍过去 30年来我国增材制造技术的发展历程、主要研究成果以及未来发展趋势。

1 研究现状
生物体通过高性能材料、复杂结构和自我调节机制适应了严峻的自然选择和生存挑战。这为智能仿生结构的构建提供了多种理想模型。通过增材制造技术将生物结构特征与智能材料相结合，创造出可根据外部环境变化做出自适应响应的智能仿生结构。目前，中国在智能仿生结构的增材制造领域取得显著进步并发挥着越来越大的影响力。

Fig. 1 AM of smart bionic structure: From design to application.

Fig. 2 Plants deform by the contraction and expansion of cells: (a) Pulvinus anatomy of sensitive plants; (b) Bilayer structure of pulvinus; (c) Hygroscopic keel tissue of ice plant capsule.

2 研究难点或瓶颈
智能仿生结构的研究面临多方面挑战，例如：当前增材制造技术尚未能高效制备多材料、多刺激响应等需求结构，跨尺度制造的精确性和速度也有待提升。技术局限性进一步影响了智能仿生结构的机械性能与服役寿命。此外，还缺乏成熟理论模型来精确预测智能仿生结构的自适应行为。


3 展望（发展趋势）
随着跨学科的融合和创新，智能仿生结构正向着多元化方法发展。材料科学的持续突破催生了新一代智能材料，他们为仿生结构的设计与制备带来的更广阔的潜力。同时，先进的增材制造工艺正为构筑仿生结构框架提供了必要的技术支撑。仿生结构设计的创新也致力于提高智能材料的响应性、形状转换效率和耐用性等。在未来的演进中，智能仿生结构将更进一步模拟自然界结构的自适应机制，实现与生物体相媲美甚至超越的功能和性能，这其中涵盖了如更高水平的自适应与自组织能力、更快的反应速度与准确性、实现更复杂的形状变化与运动、提高材料的长期耐用性与稳定性等诸多方面，以保障仿生结构在持久运用中维持高效能，为人类社会的发展带来更多的价值。


作者介绍

张志辉（团队带头人），吉林大学仿生科学与工程学院/生物与农业工程学院/工程仿生教育部重点实验室教授、博士生导师，国家高层次人才。现任国际仿生工程学会（ISBE）秘书长、吉林大学仿生科学与工程学院/生物与农业工程学院副院长，兼任ISO国际仿生学标准化技术委员会主席等职务。先后主持国家重点研发计划专项2项、国家自然科学基金项目5项、吉林省创新团队及重点攻关项目等。在表/界面科学、增材制造（3D打印）、激光制造和材料科学等领域国际权威期刊（如《Adv. Funct. Mater.》《Addit. Manuf.》《Chem. Eng. J.》《Virtual Phys. Prototy.》《Appl. Mater.Today》等）发表论文200余篇；授权美国、中国等发明专利50余件（转化7件），获国家技术发明二等奖1项。

李星燃（第一作者），吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士研究生，主要从事仿生增材制造、异质金属材料增材制造研究。目前在《International Journal of Extreme Manufacturing》、《J Mater Sci Technol》、《Virtual Phys Prototy》、《J Mater Res Technol》等国际学术期刊上发表SCI论文，申请发明专利4项。

张爽（共同一作），吉林大学工程仿生教育部重点实验室博士研究生，主要研究领域：3D打印仿生水凝胶的设计、制备及其在能源和环境领域应用，以第一作者身份发表高水平学术论文2篇《Advanced Science》、《Science China Materials》，授权发明专利3项。

团队研究方向
1.仿生增材制造（3D/4D打印）：面向航空航天、生物医疗等重点领域，从事高价值构件和智能器件仿生结构设计、增材制造/3D打印技术研发，致力于吸能减振、变形驱动、形状记忆、智能响应等先进功能应用。

2.智能仿生摩擦表面：致力于特种功能表面构建及延寿增效，研究智能响应仿生摩擦表/界面理论与技术，控制摩擦，减小磨损，改善润滑。

3.仿生表面防护与数字再造工程：面向装备表面磨损、疲劳和腐蚀等工程失效问题，进行仿生功能化结构设计，构建仿生防护表面，开发仿生增材数字修复新技术。

近年团队发表文章
[1] Shuang Zhang, Meng Li, Chaorui Jiang, Dandan Zhu, and Zhihui Zhang*, Cost-effective 3D-printed bionic hydrogel evaporator for stable solar desalination, Advanced Science, 2024, 2308665.

[2] Li Xingran; Li Qiang; Nie Minghao; Kong Deyin; Liu Zhenglin; Zhang Zhihui*; Evading the strength-ductility trade-off dilemma in steel-nickel heterostructured material by bionic crossed-lamellar structures, Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18, 2266640.
[3] Kong Deyin; Wang Qing; Huang Jiangeng; Zhang Zhihui*; Wang Xiebin; Han Qing; Shi Yanbin, A biomimetic structural material with adjustable mechanical property for bone tissue engineering, Advanced Functional Materials, 2023, Accept.
[4] Jiang Pengfei; Nie Minghao; Zong Xuemei; Wang Xiebin; Chen Zhikai; Liu Chaozong; Teng Jinze; Zhang Zhihui*, Microstructure and mechanical properties of TC4/NiTi bionic gradient heterogeneous alloy prepared by multi-wire arc additive manufacturing, Materials Science & Engineering A, 2023, 866, 144678.
[5] Lin Zhibin; Zhang Ke; Ye Jiaxin; Gao Bingzhao*; Tao Peng; Zhang Zhihui*, Clarifying the importance of the running film to the ultra-low wear of the polymer composite by eliminating its individual effect, Tribology International, 2023, 180, 108201.
[6] Shao Yanlong; Du Wenbo; Fan Yong; Zhao Jie*; Zhang Zhihui*; Ren Luquan, Near-infrared light accurately controllable superhydrophobic surface from water sticking to repelling, Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131718.

引用论文
Xingran Li, Shuang Zhang, Pengfei Jiang, Minghao Nie, Deyin Kong, Zhongxiong Kang, Mengqi Liu, Dandan Zhu, Chaorui Jiang, Qingquan Zhang, Shuo Zu, Zhihui Zhang. Smart Bionic Structures: Connecting Nature and Technology through Additive Manufacturing. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200137.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200137.

文章链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2950431724000285