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2025年3月14日，南极熊获悉，来自皇家墨尔本理工大学的研究人员开发出了一种仿生晶格结构 (BLS)，刚度比现有的膨胀材料高 13 倍，能量吸收率高 10%。晶格结构受到深海六足海绵Euplectella aspergillum （俗称维纳斯花篮）的启发，在 60% 更大的应变范围内保留了膨胀特性，可应用于建筑、防护装备和医疗植入物。
△Euplectella aspergillum的骨骼系统，
相关研究以题为“Auxetic behavior and energyabsorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge”的论文发表在《复合结构》期刊上。
与传统材料在拉伸时变薄、在压缩时膨胀不同，膨胀材料的行为则相反。这种特性此前已应用于医疗支架等领域，在这些领域，控制膨胀至关重要。然而，现有的膨胀材料通常刚度较低，能量吸收有限，限制了更广泛的应用。
然而，传统的膨胀设计，如凹入式蜂窝结构，历来存在刚度低、能量吸收有限的问题，限制了它们的实际应用。据这项研究的主要作者马嘉明博士介绍，他们通过开发一种双晶格结构来解决这一限制，这种结构可以优化负载分布和抗变形能力。
△Mike Xie 教授和 Jiaming Ma 博士手持团队的双晶格设计的 3D 打印模型。照片来自皇家墨尔本理工大学。
增强刚度和能量吸收
为了测试结构性能，研究人员使用 3D 打印热塑性聚氨酯 (TPU) 制作了原型。选择TPU材料是因为它的灵活性，使团队能够研究结构在压缩载荷下的膨胀行为。
准静态压缩测试证实，仿生晶格在结构破坏之前能够承受更高的峰值应力，同时比传统设计在更宽的应变范围内保持其膨胀行为。
有限元分析 (FEA) 模拟进一步表明，双晶格结构可增强刚度和能量吸收。刚度增加 13 倍，能量吸收提高 10%，这表明这些增强是结构设计本身而不是其所用材料的结果。
该研究还检查了晶格几何变化如何影响性能，结果表明增加非对角梁的厚度可提高刚度，而扩大对角梁之间的间距可提高能量吸收。
合著者 Ngoc San Ha 博士强调了这种结构设计在抗震建筑中的潜在应用，其高刚度和能量吸收可以减少对钢材和混凝土的需求，同时保持结构完整性。
除了建筑用途之外，晶格结构还可以用于轻型装甲、防弹背心和抗冲击医疗植入物等能量吸收至关重要的领域。
虽然最初的原型是使用 TPU 制造的，但下一阶段的研究将侧重于使用钢基版本扩大生产。研究团队还在探索机器学习算法，以进一步优化不同应用的结构，包括具有可调机械性能的可编程材料。
研究团队表示，通过进一步改进，膨胀晶格结构可以为建筑、安全和医疗行业提供更高效、更灵活的解决方案。
△双晶格结构（左）的性能优于标准凹入式蜂窝设计（右）。照片来自皇家墨尔本理工大学。
RMIT 主导的材料研究
这项研究与RMIT在材料科学和3D打印领域的更广泛努力相一致，旨在推动各个行业更强大、更轻、更高效的结构。
去年，这所澳大利亚大学开发了一种3D 打印钛超材料，其强度比航空航天应用中使用的密度相同的最强镁合金高出 50%。空心支柱晶格 (HLS) 结构由 Ti-6Al-4V 钛合金制成，采用多拓扑设计来均匀分布负载应力，减少弱点并增强机械强度。
超结构采用粉末床熔合 (PBF) 增材制造技术制造，克服了之前在可制造性和应力集中方面的挑战。压缩测试证实了该材料的耐用性有所提高，使其适用于医疗植入物、飞机和火箭部件。由于具有生物相容性、耐腐蚀性和高达 350°C 的耐热性，它有望用于高性能应用，甚至有可能适应更高的温度。
此外，RMIT 的研究人员通过模仿龙虾的螺旋壳图案优化了 3D 打印混凝土结构，提高了耐久性和负载分布。通过使用基于挤压的混凝土 3D 打印机调整打印图案，他们实现了更大的各向同性，减少了传统层堆叠混凝土中常见的弱界面粘结。
进一步使用 6 毫米钢纤维（0.75%）进行加固，增强了结构完整性，最大限度地减少了缺陷，并加速了硬化，从而可以建造更高、更复杂的结构。该团队计划在澳大利亚政府创新连接基金的资助下，将其研究扩展到 3D 打印房屋、再生材料和隔音墙。
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