新型仿生微结构为3D打印骨植

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。

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。

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。