普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员设计了一种受大自然启发的全新多孔结构——它可以进行3D打印。这种新颖的结构基于骨骼和木材等材料，具有称为旋节线微结构的特殊孔，这些孔可以被修改和微调，以实现各种零件性能和行为。包含这些旋节线微结构的物体通常比完全密集的对应物更轻，同时提供可定制的刚度曲线。

该团队已经利用 SLA 3D 打印技术制作了几个基于旋节微结构的零件原型，包括面部植入物和轻型飞机发动机部件。特伦托大学教授 Davide Bigoni 说：“作者找到了一种巧妙的方法，可以在不同架构的区域之间实现连续过渡。这是仿生的终极概念，因为所有自然结构都形成了连续的系统。这是自古以来就知道的事实——‘natura non facit saltus’——自然不会跳跃。”

在骨头、木头和角中发现的不同种类的毛孔。图片来自普林斯顿大学。

许多自然界的结构材料，如骨头、牛角和木材，都是高度多孔的。除了使材料变轻外，孔隙还可以具有特定的功能，例如允许流体通过。在骨骼的情况下，毛孔也有助于重塑过程，该过程可以增加或减少骨骼的密度，以响应力。因此，工程界可以从模仿自然界的多孔材料中受益匪浅，但开发具有相似特性的合成材料在历史上一直非常具有挑战性。普林斯顿团队在拓扑优化技术的帮助下跨越了这一障碍。这项工作基于一个基本前提，即您可以修改具有不同尺寸、形状和方向的孔的微观结构，这最终意味着可以定制性能。

具体来说，孔的形状可以像球体、菱形、柱形或扁豆形。通过改变孔的形状和方向，可以加载具有不同刚度分布的材料，同时可以改变孔的大小以控制材料的密度。“我们拥有一种非常强大的技术，它将材料架构与不同规模的优化相结合，并与增材制造相结合，”该项目的首席研究员 Glaucio Paulino 说。 “从规模化的意义上说，它可以有广泛的应用，因此它可以应用于纳米和微观技术，以及中尺度和宏观尺度。”

面部植入物和飞机零件

为了现场测试他们新设计的微结构，研究人员首先 3D 打印了面部骨骼植入物的原型。骨植入物通常由多孔钛制成，以支持骨整合，从而使骨骼长入植入物的孔中。但是传统的植入物不能提供与旋节微结构相同的可定制性。

在这种情况下，研究小组将圆柱孔和扁豆形孔结合在一起，制成了一种足够坚硬以承受咀嚼力和足够多孔以促进骨骼生长的植入物。尽管该部件是用树脂制成的原型，但它也可以用生物相容性材料进行 3D 打印，以用于最终用例。“更好的不是基础材料。更好的是微观特征，”该研究的合著者 Emily Sanders 补充道。 “理论上，我们可以用任何材料制造支架——最合适的是探索生物相容性材料。”

该团队还 3D 打印了一个旋节线喷气发动机支架：一个既坚固又轻便的关键飞机部件。在这种情况下，该团队能够在整个零件中 3D 打印从一个微观结构到另一个微观结构的平滑过渡，连接孔隙网络，而不会在微观结构中产生薄弱点。这最终导致了更适合应用的更强大的零件设计。

受生物启发的 3D 打印面部植入物。图片来自普林斯顿大学。

正如我们之前多次看到的那样，增材制造可以极大地受益于模仿已经存在的自然或其他结构。 就在本月，佐治亚理工学院的一个研究项目研究了如何将折纸艺术的原理与 3D 打印结合使用来设计能够改变形状的轻质灵活结构。 预计这项工作将应用于从 3D 打印多功能机器人到变形桥和天线等可折叠射频组件的所有领域。

在其他地方，弗莱堡大学和斯图加特大学的研究人员此前从空气马铃薯植物（薯蓣）的传播机制中获得了灵感，用于 4D 打印可根据患者的解剖结构进行自我调整的可穿戴医疗设备。 印刷系统可以预先编程，以便在暴露于湿气时执行复杂的运动。