增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展

来源：复合材料学报. 2024年第9期
作者：李家雨, 付宇彤, 李元庆, 等. 增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展[J]. 复合材料学报, 2024, 41(9): 4435-4456. doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.004

仿生结构能够在一定程度上克服传统结构和材料的缺陷，从而实现高性能和功能的多样化。增材制造(3D打印)技术可以实现复杂结构的成型，从而可以制备出具有优越力学性能和更多样化功能的仿生结构。随着增材制造技术的不断发展，增材制造技术与仿生结构设计的结合越来越受到人们的关注。同时，增材制造仿生结构具有良好的力学性能和功能，在航空航天、轨道交通、机械工业、生物医学工程等领域受到关注。本文总结了近年来3D打印仿生结构的研究进展，主要集中在力学性能优化和功能方面。优化的力学性能主要包括吸能、高强度、高刚度等，而功能则与传感、驾驶、医学等有关。最后，本文对增材制造仿生结构的优势、现有研究局限性和未来发展进行了总结和展望。

仿生结构受自然界动植物巧妙结构的启发，通常会表现出卓越的力学性能；同时，这类结构也受动植物维系生命功能天然设计的启发，能够表现出多种功能特性[1]。得益于仿生结构突出的力学性能和强大的功能特性，其在航空航天、新能源、轨道交通甚至医学等领域都具有广泛的应用背景。

为实现不同性质、不同功能，可对不同生物结构进行仿生设计。部分生物结构具有高强度、高韧性等优异力学性能[1]，事实证明这些天然生物材料拥有优异的力学性能来源于其层次性结构[2]，例如骨骼表现出高强度和韧性就是由于其7个层次结构中的多种机制[3-6]，而蜘蛛丝的高抗拉强度和大延展性则归因于其复杂的层次结构[7-8]，这使其在对力学性能敏感领域的运用具有天然的优势，力学性能优化的仿生结构应运而生。这些仿生结构通过借鉴天然动植物，将管状、夹心、蜂窝结构引入设计中，实现吸能、强度、刚度上的改良，同时因这些天然生物材料多层级的特点，利用增材制造技术制备结构复杂精巧，接近于天然结构的仿生构型是相较于传统制备方法更合适的一种选择。此外，为了让材料和结构拥有多功能性、高性能、智能响应等特性，可通过仿生设计来改善材料组分、细化内部结构。目前航天航空、机械工程及生物医学领域较重要的功能仿生结构主要和传感、驱动、愈合等相关。传感仿生结构往往具有高灵敏度、选择性、稳定性及可靠性等特征，它们可以实现复杂自然和生理环境的监测[9]。驱动仿生结构主要通过模仿不同生物的运动和结构来实现驱动功能，而不同的仿生模式会使它们拥有不同的输出机制。这些具有驱动功能的仿生结构往往因其高输出力、高速度、高分辨率等特点具有广泛的应用[10]。具有医学功能的仿生结构则是从天然生物的结构、功能和行为中寻找灵感，并将生物学原理和材料科学和工程相结合，从而促进生物材料、药物运输、组织工程、医疗设备和仿生假肢等各个领域的创新[11]。本文将对图1[12-25]所示的力学和功能特性进行总结，并介绍目前增材制造(3D打印)仿生结构及其功能的研究发展。当今，增材制造因其在制造复杂结构、设计自由度、减少浪费和节约成本等方面的突出优势，已成为一大研究热门[26]。加之其高效率、高灵活性的特点，目前在轨道交通、航空航天、生物医学等众多领域也已具有广泛应用[27-29]。此外增材制造在仿生设计中的应用也早已变得十分深入，增材制造对于很多复杂的生物结构的成型是一个很好的解决方案，其灵活的成型方式不仅能够打印出很多复杂的生物结构，而且还能够根据不同材料的组合打印出不同性能的仿生结构[26]，但在常见的增材制造方法当中，例如材料挤压[30]、材料喷射[31]这两种机制的增材制造方法在打印上可能会存在表面质量差、印刷速度慢及尺寸受限等问题，这也是增材制造当中必须解决的难题[32]。

图1

仿生学是一门古老而又年轻的学科，但是受传统加工方式的制约，很多仿生结构难以利用传统技术制造出来。增材制造技术作为近年来快速发展的一项先进制造技术，其逐层累加材料实现成型的过程与自然界的生长方式十分契合，因此能够制造结构复杂的零部件，从而促进仿生学的发展[33]。但是，当前仿生结构的性能可能受到增材制造中成型缺陷的影响，因此想要将增材制造技术和仿生结构设计结合得更好，还需要更多的努力。总而言之，随着增材制造技术的发展，其与仿生结构设计的结合在未来会越来越成熟，增材制造仿生结构将会在更多领域发挥至关重要的作用。

本文将重点介绍增材制造仿生结构在性能优化和功能上的实现情况。本文第一节主要介绍仿生结构在力学性能上的优化，第二节将从形态仿生、结构仿生、功能仿生等不同类型的仿生结构总结国内外学者的研究进展。

1 3D打印仿生结构力学性能优化

自然界中的多种动物、植物在长期进化过程中形成了独特的轻质、高强结构，以此来抵抗外界的复杂冲击荷载来保护自身的完整，满足生存的需要。生物轻质高强结构的优越性启发了科研和工程人员采用结构仿生学的方法来优化结构的力学性能。例如，通过借鉴自然界中竹子、瓢虫、肌腱等生物结构，发展具有轻质高强特点的仿生结构。随着增材制造技术的蓬勃发展，复杂的仿生结构得以实现。3D打印仿生结构可以在吸能、强度、刚度等力学性能上对传统结构优化。国内外学者通过仿生学和增材制造技术设计制备了仿生吸能结构、高强度结构、高刚度结构。这些结构在航空航天、汽车和体育器材等对强度、刚度有严苛需求的行业具有很好的应用前景。本文总结的仿生结构在力学性能上的优化情况如表1所示[12-17, 34-48]。

表1

1.1   吸能

仿生吸能结构借鉴了自然界中生物体的特性，通过模仿它们的结构和受力机制，实现吸收和分散能量的功能。国内外学者受自然界中的管状结构、泡沫结构、夹心结构等的启发设计了具有强大吸能特性的复杂结构，利用增材制造技术实现制备，并在航空航天、汽车和体育器材等领域被广泛应用。

1.1.1   管状结构

薄壁管状结构具有大变形能力和稳定的变形模式，同时由于它多孔的内部结构使其具有强大的吸能能力。无论在宏观和微观上，生物结构中都存在着管状结构。例如宏观的竹子杆部常为由节间和节连接而成的圆筒形，甲虫前翅和肌腱的内部微观结构都存在着杆状的结构，这些动植物天然的管状结构使他们具有强大的抗冲击能力，从而具有强大的吸能特性。很多学者受到这些管状结构的启发，利用增材制造技术实现仿生管状结构的快速制造，从而使仿生结构的吸能特性得到了优化。

Zou等[12]分析了竹子维管束的梯度分布及维管束与薄壁细胞的有机结合(又称基质组织)是维持竹子优异力学性能的主要原因，并受竹子内部结构启发，设计了一种由1个仿生节点和3个仿生内管组成的薄壁吸能抗冲击结构(图2(a))。在冲击实验中，此薄壁结构的单位质量吸收能量(Specific absorption，SEA)为35.03 J/g。Hu等[13]通过将中央圆管连接到其他6个六边形排列的圆管来模仿竹维管束微结构的特征，提出了一种嵌套蜂窝管结构(Bionic honeycomb tubular nested structure，BHTNS)(图2(b))。在轴向冲击实验中，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，高于传统金属蜂窝结构(35 J/g)和新型自相似规律性分叉蜂窝(最大42 J/g)。

图2

瓢虫鞘翅的内部微观结构中，存在许多形状的小型独立薄壁结构，包括三角形、矩形、六边形和圆形，并且在这些独立薄壁结构中心还存在一个空心圆柱管，这种双管薄壁结构就起到保护其翅膀和身体免受伤害的作用，因此Xiang等[34]模仿瓢虫前翅特征通过引入不同多边形截面组成的各种圆形管，设计出一种新型仿生双管薄壁结构(Bionic bi-tubular thin-walledstructure，BBTS)(图2(c))。在轴向动态冲击载荷作用下，当内壁厚度在1.6 mm至2.0 mm时，该结构表现出最佳的碰撞性能。此外，当内壁厚度为2.0 mm时，圆形和八角形BBTS显示出更好的吸能特点，优化的BBTS结构在能量吸收能力方面比原始的仿生结构提高了10%。

肌腱的横截面上存在7个层次结构，尺度从纳米、微米到毫米不等，胶原蛋白分子在纵向和横向上聚集形成原纤维，这些原纤维紧密地排列在不同层次结构中控制着肌腱的强度和韧性，本质上这些都是一个单向结构，但不同阶数结构的组合使肌腱具有强大的力学性能，因此Tsang和Raza[35]根据这一特点设计了可以利用增材制造技术生产制备的仿肌腱管状分层管(图2(d))，发现当层次结构嵌套了该管状结构后，二阶分层管和三阶分层管相较于一阶管的峰值总能量分别减少了75%和89%。因此引入该层次结构显著提升了层次结构的能量吸收能力。这些仿生薄壁管状结构相较于传统管状结构在吸能特性上得到了显著的提升。不仅仅对于管状结构，泡沫结构也是一种理想的仿生吸能结构。

1.1.2   泡沫结构

泡沫结构是一种典型的多孔轻质结构。当外力作用于泡沫结构时，泡沫支撑部分的形变和内部空间压缩能够有效地分散外荷载，从而减少冲击、压缩等外力传递给其他部分的可能性。因而，泡沫结构是一种理想的吸能材料，能够提供吸能功能而不会显著增加其质量。国内外已经把高性能泡沫结构作为承载的结构在航空航天、交通运输等领域使用。

图3

丝瓜海绵具有大孔和微孔的分层细胞结构，而大孔周围坚硬的内表面层大大提高了其强度，An和Fan[36]为模拟这种层次化的生物细胞结构将薄壁碳纤维增强聚合物管嵌入到铝泡沫中，构建了一种类似葫芦海绵的分层泡沫结构(图3(a))。此结构中的碳纤维增强聚合物管可采用增材制造制备。在单轴压缩实验中，与未嵌入碳纤维管的泡沫圆柱体相比，其SEA能量吸收能力与单独由铝制成的泡沫圆柱体相比从40.0%提高了至73.0%，具体的提高幅度取决于泡沫的密度。此外，莲藕也为学者们的泡沫结构设计提供了新的素材。莲藕具有彼此平行的长圆柱形孔状微观结构，Tane等[37]参考此独特的多孔结构，采用连续区域熔融的增材制造技术制备了一种圆柱形空腔多孔结构(图3(b))。空腔内部的圆柱形微结构沿固化方向排列，在动态压缩下，发现该结构具有宽范围的平台应力区域(高达300 MPa，宽达45%)，因此其可吸收的能量比具有各向同性孔泡沫结构高6倍。以上两种自然结构相对较软，在自然界中还有一些相对较硬的泡沫结构。箱龟外壳是一种由层状骨壳和内部闭孔泡沫骨网络组成的三明治复合结构，其中骨层密度很大，泡沫层则具有较大的孔隙密度偏小，这样的结构特点使其具有超强抗冲击能力的同时，也保持着内部的生物行为。受其启发Rhee等[38]设计了几种能够使用增材制造制备、与箱龟壳层结构类似的泡沫铝结构(图3(c))，并发现仿生泡沫结构与其他天然大孔泡沫结构的SEA相比，增加了10%至30%。柚皮处于柔性泡沫形态时，由实心和空心两部分组成，实心部分用来分散热量降低表面温度，空心部分用来蓄水为柚皮提供新鲜水分，这样的结构特性使其具有较高吸能性的同时还保持着质量轻的优点。于是Zhang等[39]以柚子皮对果肉屏蔽保护为灵感，利用金属3D打印技术，设计了一种类柚子皮的仿生多孔结构(图3(d))，该结构不但具有散热功能，还具有高的吸能能力(SEA为13.2 J/g)，这优于大多数晶格或多孔金属泡沫超材料，即在吸能上得到了优化。

1.1.3   夹心结构

夹心结构一般由柔软的内层夹和两个坚硬的外壳构成，该结构可以在遭受意外碰撞时通过塑性变形来吸收冲击能量，因此具有良好的冲击能量吸收能力。

图4

在自然界中螳螂虾的趾突可以承受高达1500 N的冲击力而不发生灾难性断裂，其趾突由一个厚的块状成分和一个薄的撞击层组成，厚的块状成分由一个极其有序的人字形图案组成，呈正弦排列形式，这种排列增加了裂纹扩展路径长度，显著提高了能量耗散能力，具有强大的吸能特性。参考此结构，Yang等[40]设计出一种新型的轻质仿生双正弦波纹(Double-sine corrugated，DCS)夹层结构(图4(a))，该结构模仿螳螂虾外壳利用两个不同的波纹方向来增强结构吸收能量的能力。并对该结构进行准静态均匀压缩实验，结果显示与常规正弦波纹芯夹层结构相比，仿生双正弦波纹(DCS)夹层结构的比吸收能量SEA是其1.7倍。这为利用增材制造制备能量吸收结构提供了新的设计思路和方法。

Lee等[41]通过透射电镜观察啄木鸟上喙发现其上喙是呈多孔状、密集角蛋白颗粒的蜂窝状结构(图4(b))。然而，与传统的蜂窝状结构不同的是，啄木鸟喙的蜂窝状结构的细胞壁呈波浪形正弦结构状，这种波浪状结构可以提高鸟喙的硬度、吸能性能和损伤容忍度。基于此，Ha等[42]设计了一种新型仿生多孔蜂窝夹层板(图4(c))，板壁被设计成波浪状，并对这种新型夹层板进行纳米压痕测试，结果表明在芯材厚度相同的情况下，新型夹层板的比能量吸收量是标准蜂窝夹层板的1.25倍。

在自然界中叶片的叶脉可以使水分和营养物质通过叶片，还有助于保持其形态，防止裂缝的扩散，叶片中叶脉这种强韧的属性，为加强夹心层结构提供灵感。

Sun等[43]受此启发设计了一种加强夹层结构的软蜂窝芯(图4(d))，即在蜂窝芯中嵌入了周期性的仿生网格，这种网格即充当着树叶的强韧脉。随后对其进行面内压缩实验，结果表明，加强夹层结构的刚度和比能吸收比相较于传统蜂窝三明治板分别高出5.3%和125%。这种加强夹层结构为使用增材制造开发更高性能的轻质夹层结构提供了一种新颖的设计思路。

目前在仿生吸能结构领域中，通过模仿生物结构可以设计出更轻便和高强度的材料，这些仿生结构可以吸收更多的能量，具有超高的抗冲击性能。但是由于仿生结构的拓扑复杂性，需要使用3D打印等先进技术进行生产，这会增加其生产成本。对于一些使用3D打印生产的仿生结构，还会由于打印技术的局限影响仿生结构的力学性能，使其与理想值有一定偏差。

1.2   高强度

自然界中的高强度结构通常具有多层级、梯度性、特殊几何形状等特点。得益于这些结构形态的启发，人们发展了多种高强度仿生结构。伴随着与纤维增强复合材料等轻量化材料的结合，这些拥有高强度、高耐用性的仿生结构在航空航天等工程领域中有广泛的应用前景。

1.2.1   高强度蜂窝结构

蜂窝结构在自然界中十分常见，其材料主要分布在外壳和支撑区域，此结构特征使应力能够均匀分布到整个结构中，而不会集中在特定区域，均匀的应力分布有助于减少应力集中和损伤的可能性，提高结构的强度和韧性。此外蜂窝结构的胞元之间可以沿多个方向相互支撑。这种多向支撑能够分散外部应力的作用，减少结构的变形和破坏风险。这种独特的机制使蜂窝结构具有强大的承载能力，并让蜂窝结构成为热门的仿生结构之一。

图5

自然界中马蹄的微观结构通常是由多个相同单元格重复排列组成的蜂窝状结构，得益于这种结构特点，马蹄具有很强悍的承载能力。Yang等[14]根据马蹄的微观结构设计了一种仿生蜂窝结构(图5(a))，并深入分析了马蹄形蜂窝结构在轴向压力下的能量吸收行为。与传统的蜂窝结构相比，马蹄形蜂窝结构的抗压强度提高了43.8%。引入马蹄状蜂窝结构为增材制造中设计高强度的蜂窝结构提供了一种新颖的思路。

柚子皮具有分层蜂窝内部结构，疏松的生物组织将密集的血管束包围，这种维管束在柚皮的抗压性表现中起着至关重要的作用。Zhang等[44]受柚皮结构特点的启发，设计了一种新型具有分层多孔结构的六边形材料(图5(b))。分层蜂窝结构的比能量吸收相较于标准蜂窝结构提高了约15%。通过增加结构层次和修改柚子皮蜂窝的几何尺寸，该结构具有更好的抗压性和能量吸收能力。

蜘蛛网在结构上类似于蜂窝状结构，但相较于常规单层蜂窝结构，蜘蛛网分层蜂窝拓展了单级蜂窝宏观力学性能空间，从而在受到垂直冲击载荷时展示出更好的抗压性能和能量吸收能力。He等[45]设计出一类拥有蛛网层次的多孔蜂窝结构(图5(c))，分别采用了一级和二级层次结构。随后压缩实验结果表明一级蛛网、二级蛛网等级蜂巢的比强度相较于普通蜂窝结构分别增加了62.1%、82.4%。这样的结果为设计具有更高强度的分层材料提供了有价值的参考。

1.2.2   高强度陀螺结构

在自然界中，一些生物体或结构具备类似陀螺结构的特征，它们具备高强度、自稳定性、能够抵抗外部的振动，并可以作为外壳提供防护和支撑。因而，基于陀螺原理设计和构建的结构，在航空航天、惯性导航、机器人等领域具有广泛应用。它们具备出色的强度和稳定性，能够满足复杂环境的要求，并为精密控制和定位提供支持。

图6

海胆作为自然界中最广为人知的生物矿化陀螺结构之一，其海胆刺的强度重量比高于砖和混凝土，这是由于极多孔结构引起的裂缝围合效应。这种机械行为与保护这些物种免受由捕食者的攻击引起的冲击、断裂和磨损有关。受到海胆结构的启发，Peng等[15]参考三周期最小表面细胞结构核心(Triply periodic minimal surface，TPMS)采用3D打印技术、实验、理论公式和数值模拟相结合的方法研究了一类新型轻质陀螺结构(图6(a))。随后他们对这种新型陀螺结构进行了三点弯曲试验发现，当TPMS核的相对密度为0.35和0.5时，最大承载分别约为15.9 N、23.1 N，承载能力显著增加。

蝴蝶翅膀是一种由多种成分组成的多尺度异构多孔陀螺杂化结构。从力学角度看，蝴蝶翅膀是一种针对弯曲荷载进行优化后的结构，其高度多孔的中心区域将两个外部区域分开，承重杆通过垂直的较小杆连接到多孔核心(图6(b))。这种内部多孔区域的拓扑结构不仅使结构的刚度最大化，还能使其质量最小化。Pelanconi和Ortona[16]通过观察蝴蝶翅膀的鳞片设计出一种超轻陀螺结构(图6(b))，并采用立体光刻3D打印技术将塑料部件打印成主体结构，并将碳纤维增强筋取代肋骨连接到主体结构。弯曲试验结果表明碳纤维加固后的结构的最大承受荷载比未加固结构提高了180%。

此外，自然界中最坚固的生物材料还包括海螺牙齿，它也是一种高强度陀螺结构。在海螺牙齿中存在一种抗拉强度最高的生物材料甲壳素和针铁矿。Rumney等[46]通过对海螺牙齿组织和细胞的分析，揭示了牙齿形成的分子机制，并成功地在体外和体内再现了整个牙齿的发育过程。并制造出了由交织的壳聚糖纤维和铁氧化物晶体构成的高强度生物复合材料陀螺结构，这对于最坚固生物材料领域是一项重大突破，同时也为增材制造制备出最坚固材料提供了可能。

通过仿生设计，3D打印仿生结构可以实现高强度，从而满足许多应用领域的需求。同样这些仿生结构还可以通过减小材料的质量来降低结构的整体质量，来提高运行效率。但是3D打印仿生结构的制造过程可能相对复杂，需要精确控制材料的分布和层压结构。最后仿生结构的可靠性可能受到其复杂性和多功能性的影响，可能导致维护和保养困难。

1.3   高刚度

图7

玻璃海绵因复杂的玻璃状骨骼结构而得名，是一种具有优异机械性能的轻质结构。曲霉是一种玻璃海绵结构，其骨架系统具有对称自由空间的多孔结构，由硅陶瓷的微小纤维和构成玻璃海绵(Euplectella aspergillum，EA)海绵骨架的有机成分组成。Tavangarian等[47]模拟曲霉EA 海绵的针状结构，开发并使用增材制造技术制备了一种改善杆力学性能的新结构(图7(a))。该结构将不同直径的圆柱体嵌入圆柱结构中形成嵌套圆柱结构(Nested cylindrical structure，NCS)。随后对这些不同层厚度的NCS进行弯曲试验，发现随着层厚度的增加，NCSs的强度和灵活性也增加。此外，发现与实心杆相比，NCSs具有更高的刚度，且断裂过程更加缓慢，这得益于嵌套圆柱结构的能量吸收和裂纹折射、分叉和桥接等增韧机制。

自然界中珍珠结构兼具优异韧性和高模量，这是由于其具有两种不同对比排列所产生的独特的层次结构(单向片剂堆积柱状和角片剂组织片)。Patadiya等[48]通过3D打印制备了两种珠层结构(图7(b))，分别是珠层柱状(Nacre columnar，NC)和珠层片状(Nacre sheet，NS)，其力学性能表征结果表明，与整齐的NC样品相比，珠层结构NS的抗冲击性能为112.098 J/m(提高9.37%)，弹性模量为803.415 MPa(提高11.23%)，弯曲模量为1563 MPa(提高10.85%)，均高于NC，而与纯几何结构相比，NS结构的冲击、弹性模量和弯曲模量分别提高了36%、29%和37%。

螳螂虾的外壳是由互穿的、双连续的高度矿化的羟基磷灰石支架和有机相组成的，其可以改善生物激发复合材料中因不连续陶瓷相导致硬/软界面处的应力集中，从而维持较高的力学性能。因此Sun等[17]通过模仿螳螂虾外壳的这种双连续结构(图7(c))，使通过用增材制造制备的陶瓷复合材料具有出色的韧性和承载能力，与纯陶瓷材料相比韧性提高了约116倍。

高刚度仿生结构具有较高的强度和韧性及抗疲劳性，这使他们适用于航空航天、交通运输等对质量敏感的行业。但是其复杂的结构设计可能会导致制造成本的增加，且结构在层间耦合较差时，其性能可能会受到影响。最后这些仿生结构的性能也会受所使用材料性能的限制，因此还要选择合适的材料才能实现结构的高刚度。

2 3D打印仿生结构功能化设计及应用

3D打印仿生结构不仅可以明显提升其力学性能，而且可以拓宽其功能。通过功能化的设计，3D打印仿生结构在更多领域得到了运用。本章讨论3D打印仿生结构功能化设计及应用，总结了传感、驱动、生物医学及其他功能在3D打印仿生结构上的实现。

2.1   传感功能

自然界中乌贼、跳蚤、细胞血管等生物结构具有压电、应变、温度、湿度的感知特性，借鉴生物的感知机制和器官结构，可设计和开发出具有类似感知能力的传感技术和系统。通过对生物感知原理的理解和仿效，结合3D打印快速的成型优势，制备性能优异、灵敏度高、适应性强的仿生传感结构，如仿生压电传感结构、仿生应变传感结构等，以满足复杂环境中的感知需求，为医学、航空航天、机械等领域提供了更实用、更精确、更快速的传感应用。

图8

自然界中一些生物结构对于仿生压电传感结构的设计具有启发意义。乌贼具有坚硬的磨骨结构，其可以在深海地区承受高水压，这得益于其独特的腔室壁隔结构能够在高压环境下实现高刚度和吸能，这样的结构特点使其成为传感器设计的绝佳模型，因此He等[18]构建了一种模仿乌贼骨骼的生物结构(图8(a))，通过3D打印技术制备，并在该结构中生长了环保的压电晶体，从而形成了一种具有高强高韧力学性能和压电传感功能的可持续、可修复附加保护层。如今对于这种仿生压电传感结构的设计，它们的灵敏度、迟滞都得到了较好的改良。传统的仿生结构传感器在高压场景下的应用范围有限，在中压场景下迟滞高，而仿生压电传感结构则具有较高的灵敏度和检测能力。跳蚤腿的肌肉结构由两个圆弧结构联锁而成，当其受到压力时，中心圆弧会被迫积累压力从而发生变形，这非常利于其在狭小空间的变形。基于3D打印技术，Guo等[49]制备了一种可重构仿跳蚤柔性压力传感器(FPS)(图8(b))，并通过定制专用结构参数，使其可满足不同场景的需求。FPS具有灵敏度高(0~1 kPa时为1.005 kPa−1)、检测范围宽(200 kPa)、重复性高(10 kPa时为6000次)、迟滞低(1.3%)、响应时间快(40 ms)、检测限低(0.5 Pa)等特点，可被放置在手指、肘部、手臂、颈部、脸颊，检测身体各个部位的动作，具有很好的适用性。这对于设计出高灵敏度、低迟滞的仿生压电传感结构是一大突破。

受到生物学启发，学者们设计了用于测定物体或结构应变的仿生传感器。在自然界中，活细胞可以实现将细胞外的机械刺激转化为细胞内生化信号。因此，基于3D打印技术，Li等[50]模仿细胞的结构特点开发了一种具有超灵敏特性和机械发光活性的复合材料(图8(c))，即将水凝胶嵌入鞭毛藻使其对应力具有近乎瞬时的超灵敏生物发光响应，其响应时间为15~20 ms，随后利用这种活体复合材料3D打印成具有高空间分辨率的大尺度机械发光结构。目前传统的软质自愈材料抗裂纹扩展能力较差，而动物小血管中柔软而坚韧的平滑肌组织可以承受持续收缩和防松过程中血压的剧烈变化，这是由于其结构本质上通常具有核-壳结构，其中其薄的外壳被强度相对较高的细胞骨架细丝包围，而大的内核则主要包含流体粘性物质从而形成了一种多模态增韧机制，Sun等[51]受血管平滑肌的启发提出了一个软自愈聚脲模型系统(图8(d))，这种系统能在保持软自愈特性的同时拥有高抗裂纹扩展能力。通过分子界面金属协同组装引入核壳结构的液态金属微滴，在不牺牲柔软度的情况下，其抗裂应变和断裂韧性分别提升了12.2倍和34.9倍。断裂韧性可达(111.16±8.76) kJ/m2，甚至高于Al和Zn合金的断裂韧性。此外，合成的仿生结构在局部近红外照射下具有快速的自愈动力学(1 min)和超高的介电常数，并可以利用3D打印技术实现快速生产。这全方位改善了传统软质自愈材料的缺陷。

除了仿生压电传感结构和仿生应变传感结构以外，自然界中的植物结构也对仿生温、湿度传感器的设计具有深刻的启发意义。自然界中的植物种子具有传播性特点，并且其传播范围较大，Cikalleshi等[52]受Acer campestre植物种子传播性启发，采用聚乳酸作为生物相容性基质，并添加光致发光的掺镉稀土材料，温度作为检测的物理参数，利用3D打印技术制备了一种具有发光功能的种子状飞翔器(图8(e))。这种飞行器的发光特性是会随着温度的变化而变化，从而可实现扩大环境监测范围的功能。水作为地球上系统的重要组成部分，水蒸气无处不在，因此湿度传感在很多领域具有广泛的应用。Esteves等[19]发展了一种基于离子液体结构的软材料，可用于湿度和气体传感。这种离子液体软材料(图8(f))对不同极性和亲水性的化合物具有不同的响应能力，并且能够在干燥和湿润条件下进行气体传感。另外通过研究这种离子液体材料的光学和电学信号，发现其对挥发性有机化合物的响应速度更快，即能够更快速地感应其湿度。

2.2   驱动功能

自然界中的生物，存在不同的运动规律。仿生驱动结构受到生物体运动机制和力学原理启发，以实现高效、灵活和适应性强的运动控制。例如巴沙鱼、生物肌肉结构、含羞草等的运动机制能够为仿生驱动结构带来设计灵感。利用增材制造技术灵活制造出结构复杂、精度高、驱动性能好的仿生驱动结构，如电驱动、磁驱动、气动等驱动器，使其能够在不同环境中满足驱动功能，为驱动器领域开辟了一条新的道路，用于改进机器人、交通工具、医疗设备等领域的运动控制和机构设计。

图9

电驱动和磁驱动具有无接触、无摩擦、高效率、高可靠性的优点。使其能够在许多领域得到广泛运用，如机器人、混合器、气密驱动设备等。巴沙鱼是通过软鳍条尾部的波动实现前进，这种运动机制可以很好地和电驱动结合起来。Youssef等[20]使用了选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积建模(FDM)和CO2激光切割等多种增材制造技术设计了一种软刚性混合机器鱼(图9(a))。使用伺服电机驱动的柔性鳍尾结构来为机器鱼提供动力，并结合强化学习(RL)算法为其游动提供控制策略。磁驱动则是利用磁力来驱动机器或设备从而产生驱动。

Moradi等[53]首次报道了在截肢者假手的临床手术中植入磁性标签(图9(b))，并采用了3D打印技术制造假肢拇指。随后实现了基于患者手部肌肉的磁力线传感信号来控制仿生手。此外，光作为一种电磁波，也可以被生物体感知而产生运动。含羞草当感知到光的刺激后便会收缩，其叶片迅速折叠实现运动。Li等[54]通过对金属玻璃的结构设计和激光加工参数的调控，成功设计出类似于含羞草具备优异抗疲劳性能的金属仿生结构(图9(c))。随后通过磁棒的刺激，可实现金属叶片的关闭和打开，即可控形状变化。

气动是在气体压力的作用下，结构发生扩张和收缩来实现运动。人体肌肉的收缩和扩张，涉及的结构形状变化可以通过气动来实现。De Pascali等[21]提出了一类气动人造肌肉(图9(d))来模仿生物肌肉的收紧和拉长，从而实现复杂、逼真的运动。该结构利用3D打印技术由不同材料在不同尺度上制造，实现了在复杂设备中的无缝集成，从而实现复杂的多样化运动。Wang等[55]选择具有热塑性的聚乳酸PLA为变刚度材料，利用激光雕刻机将石墨烯薄膜加工成图案化石墨烯加热网格(Patterned graphene-heating network，PGHN)，然后将其与3D-PLA的目标加热位置键合，形成PGHN/PLA变刚度结构(图9(e))。这种结构可以对其任意位置实现加热，从而实现局部刚度控制，王等再用这种机制设计了一种气动机器人，该机器人基于PGHN/PLA变刚度结构的局部刚度控制和形状锁定功能，能够实现了单气源下的双向运动控制。

2.3   生物医学工程

随着增材制造技术的发展越来越成熟，其在医学当中的运用也越来越广泛和深入，3D打印生物结构具有灵巧、精密、耐久、适应性强等特点。3D打印在医学领域的应用突破了很多医学技术的瓶颈，解决了骨骼、关节、半月板和皮肤再生技术，组织内部用药、神经植入监控技术等医学难题。3D打印生物结构在生物医学工程上的运用越来越受到人们的重视，该项技术在医学上的应用在未来的发展前途不可估量。

图10

在医学上，骨骼、关节等的再生恢复技术对于患者的术后生活尤其重要，因此这一技术的突破将造福人类，通过增材制造技术开发出器官芯片将为组织工程技术[56]带来突破。Zhang等[57]使用数字激光处理(DLP)为基础的3D打印技术成功制备了模仿骨组织结构的生物陶瓷支架(图10(a))，可用于骨再生中的多细胞传递。Keshtiban 等[58]利用FDM 3D打印方法以PLA为原料制备出 TPMS骨支架(图10(g))，随后再用氧化石墨烯对其涂层以增强其生物性，在随后的实验和细胞培养中，验证了其具有良好机械和生物学特性。膝关节半月板结构的再生是科学和转化的挑战，Yan等[59]受半月板自然成熟和再生过程的启发，开发了一种有效的转化策略，通过3D打印制造了仿生半月板支架(图10(b))来结合自体滑膜移植以促进半月板再生，该支架含有丰富的内在间充质干细胞。此外，3D打印修复再生生物结构同样也是医学上一大技术难点，多细胞生物皮肤打印可以实现生物伤口愈合。Jorgensen等[60]将6种主要的人类皮肤细胞类型通过3D打印制造出由表皮、真皮层和真皮组成的三层皮肤结构(图10(c))。随后将带有人类细胞的生物打印皮肤移植到小鼠的表层伤口上，发现其促进了血管的快速形成，并形成了类似于天然人类表皮的表皮网络。生物打印的皮肤移植物改善了上皮化，减少了皮肤收缩，并支持正常胶原组织，减少了纤维化，从而促进创伤的愈合。

微针仿真是一种利用生物启发的方法来设计和制作的微针贴片，以实现在湿环境中的组织表面黏附和有效的药物传递，实现组织内局部用药。受蓝环章鱼捕食时通过牙齿将毒液注射入猎物这一机制启发，Zhu等[22]通过间接3D打印技术制备活性注射微针(图10(d))，设计了具有优异黏附能力和穿透软组织或黏液屏障能力的微针贴片，实现组织内局部用药时的表面屏障穿透和可控药物递送。与传统药物传递方式相比，其具有更强的组织渗透能力、更有效的组织表面附着、控制药物释放、更好的生物安全性、更好的医疗效果等优势。

蚊子口器锐利的上颌可以轻易穿透表皮，引导软腭至血管，同时其下唇还为入侵部分提供支撑，增加临界弯曲力，避免插入力散失，这些机制使蚊子能够在复杂的皮肤表面找到并定位血管，实现高效的血液吸取。Zhou等[61]受蚊子口器启发提出一种仿生神经探针系统(图10(e))，该系统通过两光子3D打印制造了微管道轨道模块的基座，并集成了高灵敏度传感器和高保真多通道柔性电极阵列。这种仿生神经探针允许自定义和分布式植入，使可以在不同的脑区实现电极阵列的植入，从而实现电极阵列的植入以监控大规模神经活动。

生物褶皱细胞膜具有优异可变性，其在脑皮质层上可以提高动物智力，但纳米褶皱结构的制造是目前的一大挑战。Fan等[23]提出一种自下而上的激光直接组装策略，在单材料一步工艺中制造多维纳米褶皱结构(图10(f))。通过使用激光直接组装(FsLDW)技术，成功制造出纳米皱纹结构的3D微结构。

2.4   其他功能

3D打印仿生结构不仅可以实现传感、驱动功能，并在生物医学工程上具有广泛的应用前景，也可以实现其他特殊功能如电磁波吸收、太阳能转换、光学成像等。利用3D打印的灵活性和精确性，结合仿生学的原理，制造设计出具有复杂形状和优化性能的结构，为未来的创新提供了巨大的潜力。

传统的蜂窝状结构电磁吸波吸收材料作为一种多功能材料在各种设备中得到了广泛的应用。然而，目前的电磁波材料由于其结构形态的各向异性，受到窄吸收带宽限制。而蝴蝶翅膀具有优异的几何光学性质和表面，这使其具有较强的电磁波吸收能力。

An等[62]受Parides sesostris蝴蝶翅膀上的陀螺超宽带电磁波吸收超材料结构的启发，提出了一种新颖的电磁波吸收结构单元(图11(a))。这种仿生元结构可通过投影光刻增材制造法(SLA)和浸渍涂层工艺制备的，并填充介电损耗材料。该仿生结构具备宽吸收带(2~40 GHz)和稳定的频率响应。

图11

生物体在自然界中演化出高效的能量转换方式如光合作用，这些机制可以为工程应用提供灵感。Wang等[24]设计了一种基于投影微立体光刻3D打印技术制作的仿生太阳蒸发器(图11(b))，这种蒸发器模仿了树木的蒸腾过程，即将水凝胶作为叶子，微通道作为植物茎内的血管，实现高效的太阳蒸发。该生物太阳蒸发器具有快速的太阳蒸发速率(4.12 kg/(m2·h−1))和高能量转换效率(92.1%)，且具有强大的水处理能力。

不同生物的视觉机制具有差异，例如昆虫复眼由许多小的结构单元组成，每个结构单元都具有自己的视觉感受区域，针对不同环境所有单元捕捉来自不同方向的光线，实现空间位置识别来躲避追捕。Hu等[25]设计了一种利用飞秒激光双光子聚合技术制造的微型光电集成相机，并利用3D打印和紫外遮光固化的两步法制备仿生复合眼透镜(图11(c))。它可以实现空间位置识别、对移动目标轨迹监测、与微流控芯片集成，用于微生物的实时监测。



结论
本文综述了采用增材制造技术制备的仿生结构在力学性能优化和功能设计上的研究进展。随着仿生技术和增材制造技术越来越成熟，增材制造与仿生结构设计的结合在未来也会日趋广泛。目前利用增材制造技术制造仿生结构的相关报道仍相对偏少，这也许与增材制造技术成型过程易产生缺陷相关，但是增材制造技术成型技术的灵活性始终是科研者们选择它的一个坚定不移的理由。同时自然界中复杂结构远远超出传统的设计和制造技术的能力，这阻碍了仿生学研究的进展及其在工程系统中的使用。因此，增材制造技术为模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能结构提供了新的机遇，这与增材制造逐层累加材料实现制备的成型特点离不开。采用增材制造技术制备仿生结构不仅仅在吸能、强度、刚度上有良好的提升，而且还实现了传感、驱动、医学工程等功能，这充分证明了增材制造技术与仿生结构设计相结合的重大意义。

目前利用增材制造技术制备仿生结构可以实现力学性能和功能特性的突破这一点毋庸置疑，但是为了将增材制造技术和仿生结构设计结合得更好，还需要做到以下几点：

(1)进一步研究自然界的合成机制，从而设计出可用于工程系统的仿生结构。自然界创造生物体经历了相当长的时间，相比之下增材制造技术作为一种人工制造技术，其发展时间仍非常短。因此了解自然界中材料形成过程的机制，可能会启发我们找寻到一种以更短时间模拟自然生长过程的替代方法。因此将增材制造技术和仿生结构相结合，不应该仅仅是简单地复制生物结构，还应该进一步深入了解合成这些天然材料的技术，这就需要我们对这些天然材料的形成机制有一个更深入的了解；

(2)自然界中的结构材料一般是由多种材料组成(如蛋白质、多糖等)，但仿生增材制造中使用的材料通常局限于聚合物、某些陶瓷材料和金属材料，具有一定的局限性。因此拓宽可用于仿生增材制造的材料种类，来开发新型的复合材料，也是一个关键的研究挑战；

(3)自然界中大部分生物结构都是多尺度和多功能的，这些生物材料的多尺度结构在实现功能整合方面发挥着重要作用。目前大部分仿生增材制造技术仅仅是在复刻自然结构的单一功能，其制造工艺还不能制造出多尺度、多功能的生物结构。因此尽可能地去制备出多尺度、多功能的生物结构是涉及多学科研究的一个持久挑战；

(4)为更好地制备复杂的生物结构，还需要进一步改进3D打印技术。针对不同尺寸结构开发相应的3D打印工艺，来解决仿生结构制备的多尺度挑战。另外也可以将增材制造技术和传统制造技术相结合，实现低缺陷高强度材料制备。

总体而言，大自然的创造过程本身可以看作是一个增材制造的过程。大自然从一个单细胞开始，通过生长或从环境中获取材料，逐渐添加到一个有机体中。这样的过程可以激发新的增材制造技术以更有效和高效的方式创建更接近自然结构的对象。了解自然结构并通过3D打印复制它们并用于各种工程，将有力推动仿生学领域的发展。未来的生物3D打印研究将属于多功能、多尺度、多材料和多维(4D打印)制造的范畴。仿生增材制造技术的发展将进一步为未来工程系统构建下一代功能材料和结构带来突破。

参考文献：略