增材制造技術(shù)在仿生學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

2022-05-05 03:28:34丁紅瑜唐佩堯尹衍軍關(guān)杰仁蔣志勇

中國(guó)材料進(jìn)展 2022年2期

丁紅瑜，唐佩堯，尹衍軍，關(guān)杰仁，陳超，蔣志勇

(1. 江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)(2. 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，江蘇蘇州，215600)

1 前言

仿生學(xué)是一門(mén)學(xué)習(xí)和模擬大自然，在制造的人工制品中實(shí)現(xiàn)回歸自然的仿生發(fā)展理念和發(fā)展模式的科學(xué)[1]。在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中，通過(guò)學(xué)習(xí)和模仿自然界，人類社會(huì)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展；隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷發(fā)明出新的設(shè)備、工具和科技，創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)、學(xué)習(xí)和生活的先進(jìn)技術(shù)，不斷將更多的內(nèi)涵注入到仿生學(xué)中，使其呈現(xiàn)出日新月異的面貌。

受傳統(tǒng)加工方法的制約，很多仿生結(jié)構(gòu)只能停留在紙面上，難以制造出來(lái)，或者加工成本過(guò)高，應(yīng)用范圍受限。增材制造技術(shù)(又稱3D打印技術(shù))是近年來(lái)快速發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，其采用的逐層累加材料實(shí)現(xiàn)成形的過(guò)程暗合了自然界的生長(zhǎng)之道，可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件的優(yōu)勢(shì)擺脫了傳統(tǒng)加工工藝的桎梏，使得過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計(jì)方案成為現(xiàn)實(shí)，從而促進(jìn)了仿生學(xué)的發(fā)展。

本文從形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生3個(gè)方面列舉了增材制造技術(shù)的一些典型應(yīng)用案例，希望能對(duì)基于增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)人員提供借鑒。

2 形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是對(duì)生物外在形態(tài)的模仿。通過(guò)形態(tài)仿生可以直觀地認(rèn)識(shí)物體各部分的大小、比例協(xié)調(diào)關(guān)系、連接關(guān)系等。形態(tài)仿生所對(duì)應(yīng)的增材制造技術(shù)早些年被稱為快速原型技術(shù)(rapid prototyping, RP)，主要包括熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)、選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)、立體光固化(stereo lithography apparatus，SLA)、噴射成形(polyjet)等工藝。

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的王健全等[2]以啄木鳥(niǎo)為研究對(duì)象，根據(jù)Micro-CT顯微掃描數(shù)據(jù)，采用FDM工藝重建了啄木鳥(niǎo)頭骨的三維模型，完成了啄木鳥(niǎo)的喙部仿生結(jié)構(gòu)的制造。在自然樣本量不足的條件下，該模型可為啄木鳥(niǎo)頭部性能測(cè)試及能量吸收機(jī)制的研究提供必要基礎(chǔ)，也能用于科普展覽、教學(xué)演示等活動(dòng)。

西北工業(yè)大學(xué)汪焰恩等[3]研究了骨骼的內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)、術(shù)前診斷模型外形輪廓以及力學(xué)性能的仿生設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上通過(guò)控制3D打印工藝、粉體材料成分和材料參數(shù)，得到不同力學(xué)性能的骨支架，從而實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化定制的全骨仿生術(shù)前診斷模型。利用該模型可以有效反映病患骨折和骨缺損真實(shí)特點(diǎn)，并可增加觀察視場(chǎng)，明確病癥分型，從而有助于制定固定骨釘和骨板實(shí)際操作方案、規(guī)劃替代骨植入方案，為術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)、復(fù)位模擬、內(nèi)置物選擇、三維數(shù)據(jù)測(cè)量等重要手術(shù)環(huán)節(jié)提供物理操作模型，從而明顯改善手術(shù)效果，有效縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中和術(shù)后并發(fā)癥幾率。

在部分應(yīng)用場(chǎng)景中，形態(tài)仿生更注重模型的外表，對(duì)其內(nèi)部沒(méi)有要求，因此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Wang等[4]開(kāi)發(fā)了一種特定的算法，采用表皮-支架結(jié)構(gòu)替代原有的實(shí)心結(jié)構(gòu)，能夠在保證打印制件外表面形貌的前提下，大大減少填充材料的消耗，從而減輕模型的重量，節(jié)約成本。

在2020年抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情過(guò)程中，增材制造技術(shù)也派上了用場(chǎng)[5]。在疫情初期，結(jié)合形態(tài)仿生技術(shù)，多材料體素全彩3D打印技術(shù)被應(yīng)用于制作新型冠狀病毒肺部感染病例的肺部3D模型，該模型反映了患者肺部的三維圖景，在病理分析、治療措施制定等方面發(fā)揮了積極作用。

圖1展示了作者所在實(shí)驗(yàn)室采用Polyjet增材制造技術(shù)制備的心臟模型，按照人體心臟進(jìn)行1∶1原型復(fù)制獲得。其使用多種不同顏色的材料，再現(xiàn)了人體心臟的模樣，脈絡(luò)十分清晰。相較于傳統(tǒng)教科書(shū)上的二維圖片(黑白或彩色)，三維實(shí)體模型更逼真，用于教學(xué)演示道具時(shí)效果更好。

圖1 采用Polyjet技術(shù)制造的人體心臟模型

除了應(yīng)用于教育教學(xué)方面以外，形態(tài)仿生還廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)階段和文創(chuàng)產(chǎn)品領(lǐng)域，能快速將設(shè)計(jì)師腦海中的產(chǎn)品變成實(shí)物直觀展現(xiàn)出來(lái)，從而提供優(yōu)化、改進(jìn)的條件。

3 結(jié)構(gòu)仿生

隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)不滿足于制作僅能用于觀賞的模型，而是希望所制造的零件具備承載能力，因此，增材制造技術(shù)被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)仿生。結(jié)構(gòu)仿生是通過(guò)研究生物肌體的構(gòu)造，建造類似生物體或其中一部分的機(jī)械裝置。結(jié)構(gòu)仿生主要靠激光直接成型(direct laser fabrication, DLF)、選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)、電子束熔化成形(electron beam melting, EBM)、FDM等工藝實(shí)現(xiàn)。

天然貝殼的組成結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間存在良好的匹配規(guī)律，貝殼的珍珠層有著“軟-硬”交織的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能[6]，太原理工大學(xué)侯祥龍等[7]應(yīng)用剛性透明硬材料和黑色類橡膠粘彈性軟材料，采用Polyjet工藝制備了貝殼仿生復(fù)合材料，并對(duì)材料的層內(nèi)裝配角度和面內(nèi)裝配角度進(jìn)行了優(yōu)化。南京理工大學(xué)聞?wù)卖數(shù)萚8]則是以高氮鋼作為硬相、以不銹鋼作為軟相，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsten inert gas,TIG)增材制造打印出具有仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)件，構(gòu)件具有良好的強(qiáng)韌匹配性。

螃蟹的蟹鉗十分堅(jiān)硬，是其捕食的利器。南京航空航天大學(xué)顧冬冬團(tuán)隊(duì)[9]解析表征了黃道蟹蟹鉗的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)蟹鉗外殼厚度方向的微孔道呈螺旋結(jié)構(gòu)，并且基于SLM技術(shù)仿生制造了這一結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，所用材料為NiTi形狀記憶合金。經(jīng)測(cè)試表明，該結(jié)構(gòu)的能量吸收系數(shù)達(dá)到0.17，表現(xiàn)出良好的抗沖擊緩沖性能。

圖2 采用SLM技術(shù)制造仿生蟹鉗結(jié)構(gòu)[9]：(a) NiTi預(yù)合金粉末的SEM照片，(b) 激光與粉末相互作用的圖片，(c) 所采用的激光掃描策略，(d) 制造獲得的NiTi結(jié)構(gòu)件，(e) 黃道蟹蟹鉗照片，(f) 在壓縮試驗(yàn)期間用于全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，(g) 壓縮試驗(yàn)的試樣尺寸

鳥(niǎo)類之所以能在天上飛，除了翅膀以外，其中空的輕質(zhì)骨骼結(jié)構(gòu)也是一個(gè)重要因素。航空航天領(lǐng)域?qū)p重有著迫切的需求，增材制造技術(shù)在這方面大有可為。例如，德國(guó)Fraunhofer增材制造研究所Heilemann等[10]采用DLF技術(shù)成形了桁架結(jié)構(gòu)的鋁合金機(jī)身，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。俄羅斯圣彼得堡彼得大帝理工大學(xué)的Orlov等[11]通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件對(duì)基于傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的支架進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后零件質(zhì)量從868.38降低為 178.01 g，減輕了79.5%；所占的體積也相應(yīng)大幅減小。在輕量化過(guò)程中，蜂窩結(jié)構(gòu)是一個(gè)重要的仿生對(duì)象。自然界的蜂窩由一個(gè)個(gè)排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個(gè)小蜂房的底部由3個(gè)相同的菱形組成，這種結(jié)構(gòu)具有節(jié)省材料、容量大、堅(jiān)固等特點(diǎn)。印度國(guó)防部材料工程部Korde等[12]總結(jié)了采用增材制造技術(shù)制造蜂窩結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，并指出這種結(jié)構(gòu)在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

人體骨骼也是經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年自然界優(yōu)化選擇后的結(jié)果，其不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于各種原因人體骨骼會(huì)受到傷害，造成骨缺損，成為骨科臨床最常見(jiàn)的疾病之一。骨缺損嚴(yán)重?fù)p害身體健康，如何對(duì)骨缺損修復(fù)重建一直是國(guó)際臨床難題。采用3D打印技術(shù)制備金屬骨骼植入物是解決這一問(wèn)題的有效方法之一，目前該技術(shù)還處在快速成長(zhǎng)期，正日益受到人們的關(guān)注[13]。然而，如何制造出與人體生物相容性好，孔隙率、孔隙分布、強(qiáng)度、模量等各方面與人體骨骼接近，能誘導(dǎo)骨骼生長(zhǎng)的植入物，仍需要做大量的研究工作。南京航空航天大學(xué)喻長(zhǎng)江等[14]提出了多級(jí)晶格仿生微結(jié)構(gòu)建模的概念和方法，獲得了特定的彈性模量及抗沖擊韌性。四川大學(xué)Zhang[15]等結(jié)合有限元分析及SLM技術(shù)，制備了具有金剛石型多孔結(jié)構(gòu)的Ti6Al4V結(jié)構(gòu)件，有利于骨組織生長(zhǎng)。北京航空航天大學(xué)Li等[16]對(duì)比了具有相同孔隙率的中心對(duì)稱單元和對(duì)角線對(duì)稱單元的性能差別，發(fā)現(xiàn)中心對(duì)稱單元的抗壓能力更強(qiáng)，但抗扭轉(zhuǎn)能力不如對(duì)角線對(duì)稱單元，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。華中科技大學(xué)Yang等[17]對(duì)增材制造多孔結(jié)構(gòu)件的壓-壓疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)成形后表面噴砂有利于去除粘結(jié)粉末，形成殘余壓應(yīng)力，從而改善構(gòu)件的疲勞性能。

總之，結(jié)構(gòu)仿生就是通過(guò)研究、分析生物體的結(jié)構(gòu)，了解它們的性能、組成及運(yùn)動(dòng)機(jī)制，采用恰當(dāng)?shù)脑霾闹圃旒夹g(shù)及后處理工藝制造具有類似結(jié)構(gòu)的零件，最終達(dá)到節(jié)省原材料、提高承載能力、增強(qiáng)構(gòu)件服役性能的目的。

4 功能仿生

功能仿生是研究和分析自然生物的功能與構(gòu)造關(guān)系，對(duì)其具備的特殊功能進(jìn)行提煉借鑒，結(jié)合改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的短板和不足之處，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能提升和更新?lián)Q代。功能仿生設(shè)計(jì)源于自然，但不是機(jī)械地對(duì)自然進(jìn)行抄襲和復(fù)制，而是理解仿生對(duì)象生物系統(tǒng)原理的實(shí)質(zhì)，并加以借鑒提升。功能仿生主要依靠Polyjet、直接墨水書(shū)寫(xiě)(direct ink writing，DIW)、SLM、SLA等工藝實(shí)現(xiàn)。

荷葉具有自清潔功能，現(xiàn)有的研究表明，這一功能的實(shí)現(xiàn)源于其表面復(fù)雜微米-納米結(jié)構(gòu)的組合，使其具有超疏水性。南京航空航天大學(xué)顧冬冬團(tuán)隊(duì)[18]采用SLM工藝獲得了具有超疏水表面的鎳基納米復(fù)合材料，接觸角均大于90°，在優(yōu)化的工藝條件下，接觸角甚至能超過(guò)150°。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍團(tuán)隊(duì)[19]對(duì)超疏水材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并指出相關(guān)技術(shù)有望在除污、液體轉(zhuǎn)移、油水分離、減阻等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

光合作用是植物獲取能源的重要途徑。2018年，美國(guó)斯蒂文斯理工學(xué)院Joshi等[20]采用材料擠出3D打印技術(shù)制備了一種能發(fā)電的仿生蘑菇。用于實(shí)現(xiàn)光合發(fā)電作用的3D打印墨水由兩種材料組成，分別為石墨烯納米帶(GNRs)和藍(lán)藻細(xì)菌。首先在蘑菇傘上打印GNRs電極網(wǎng)絡(luò)，然后在電極圖案上方打印藍(lán)藻。將蘑菇暴露在陽(yáng)光下可以激活藍(lán)藻的光合作用，而GNRs電極網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)收集由藍(lán)藻細(xì)菌產(chǎn)生的電能，最終產(chǎn)生光電流。藍(lán)藻菌產(chǎn)生的電流大小取決于它們的排列方式和密度，藍(lán)藻菌越密集，產(chǎn)生的電能越多。這項(xiàng)工作可能成為下一代生物交叉應(yīng)用的巨大機(jī)遇，可用于環(huán)境、防御、醫(yī)療和其他領(lǐng)域。

貓舌頭上有很多倒刺，能很好地清潔和清除毛皮中的纏結(jié)物。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Noel等[21]模仿貓舌頭上乳突狀倒刺的結(jié)構(gòu)，重建一個(gè)模型，并采用SLA技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)，可用于開(kāi)發(fā)易于清潔的發(fā)刷、清潔傷口的工具等，在醫(yī)療和美容業(yè)等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。

機(jī)械手臂的抓取功能是其一項(xiàng)重要的功能，與控制系統(tǒng)結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)物體的精準(zhǔn)移動(dòng)。德國(guó)Fraunhofer增材制造研究所的Grzesiak等[22]早在2011年便提出了采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)抓取功能這一理念。吉林大學(xué)宋正義等[23]采用具有熱致收縮形變的形狀記憶聚合物材料(其在溫度和濕度的共同作用下產(chǎn)生相應(yīng)的變形)，結(jié)合仿生梯度打印策略最終打印出可實(shí)現(xiàn)抓取功能的軟體機(jī)械手，且抓取質(zhì)量最大為自身質(zhì)量的80倍。斯里蘭卡賈夫納大學(xué)的Neethan等[24]則對(duì)3D打印義肢的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)只需要對(duì)角度進(jìn)行較小調(diào)整即可改善使用性能并降低成本，說(shuō)明3D打印功能仿生構(gòu)件方向還有很大的挖掘潛力。

3D打印技術(shù)還被用來(lái)制造各種傳感器件。近年來(lái)，3D打印的耳朵、皮膚、眼睛相繼問(wèn)世[25-27]，給更多失能人士帶來(lái)了福音。

2013年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)Michael 等[25]使用3D打印技術(shù)打造了一個(gè)內(nèi)嵌電線的3D軟骨耳。這只人造耳具備人耳的軟骨結(jié)構(gòu)，而安置在耳朵內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)天線則可以組成耳蝸螺旋，可以“聽(tīng)”到超越人類聽(tīng)力范圍的無(wú)線頻率(圖3)。這樣，它就可以幫助聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)末梢有問(wèn)題的患者重新恢復(fù)或提高聽(tīng)力能力，這一研究成果獲得了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。

圖3 采用增材制造技術(shù)制造的人工耳[25]

在前期研究基礎(chǔ)上，2017年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Michael等[26]發(fā)明了仿生皮膚。他們使用一種特制的打印機(jī)打印出柔性電子傳感設(shè)備，外觀接近真正的皮膚。打印機(jī)4個(gè)噴嘴能?chē)姵霾煌愋偷摹澳币源蛴「鱾€(gè)分層。其中，底層是硅膠材質(zhì)，往上依次為導(dǎo)電油墨制成的電極、硬幣大小的壓力傳感器以及能沖洗掉的犧牲層。傳統(tǒng)的3D打印系統(tǒng)往往使用在高溫下成型的熱固性材料，而此項(xiàng)研究中使用的多層“墨水”可以在室溫下成形，這意味著它有可能直接打印到人體皮膚上，并實(shí)時(shí)感應(yīng)到脈搏變化。這種仿生皮膚發(fā)展前景可觀，既能制成可穿戴設(shè)備，通過(guò)皮膚監(jiān)測(cè)人體健康狀況，還能幫助探測(cè)危險(xiǎn)化學(xué)品或爆炸物。

2018年，Michael研究組又在打造仿生眼方面邁出了重要的一步，使用3D打印機(jī)創(chuàng)建了一個(gè)能夠檢測(cè)光照水平變化的“人造眼”。他們使用半球形玻璃圓頂作為成型基底，首先使用定制的3D打印機(jī)，從銀粒子基礎(chǔ)墨水開(kāi)始打印，分散的墨水保持在原地并均勻地干燥，而不是沿著彎曲的表面流散；然后，他們使用半導(dǎo)體聚合物材料打印可將光轉(zhuǎn)化為電能的光敏二極管，由此制造出了一個(gè)能夠檢測(cè)光照水平變化的三維“人造眼球”[27]。仿生眼模仿視網(wǎng)膜的功能與植入物協(xié)同工作，將其“看到”的圖像轉(zhuǎn)換為視網(wǎng)膜細(xì)胞可接收的電脈沖，視網(wǎng)膜細(xì)胞將圖像信號(hào)傳回大腦。這一技術(shù)有望讓數(shù)百萬(wàn)人重見(jiàn)光明。

此外，利用增材制造技術(shù)打印活體生物器官也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。2015年，美國(guó)Organovo公司利用增材制造技術(shù)將活細(xì)胞組合在一起形成可用的器官結(jié)構(gòu)，成功打印出全細(xì)胞腎臟組織[28]。這一成果有助于患有腎臟疾病的病人恢復(fù)健康，同時(shí)也展現(xiàn)了增材制造技術(shù)在打印具有功能性、靈活性、適應(yīng)性性能要求的組織器官方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)