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)是一門學(xué)習(xí)和模擬大自然，在制造的人工制品中實現(xiàn)回歸自然的仿生發(fā)展理念和發(fā)展模式的科學(xué)[1]。在漫長的歷史長河中，通過學(xué)習(xí)和模仿自然界，人類社會獲得了長足發(fā)展；隨著技術(shù)的進步，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，或者加工成本過高，應(yīng)用范圍受限。增材制造技術(shù)(又稱3D打印技術(shù))是近年來快速發(fā)展的一項先進制造技術(shù)，其采用的逐層累加材料實現(xiàn)成形的過程暗合了自然界的生長之道，可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件的優(yōu)勢擺脫了傳統(tǒng)加工工藝的桎梏，使得過去無法實現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計方案成為現(xiàn)實，從而促進了仿生學(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，希望能對基于增材制造技術(shù)的設(shè)計、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)仿生是對生物外在形態(tài)的模仿。通過形態(tài)仿生可以直觀地認識物體各部分的大小、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。

中國航天員科研訓(xùn)練中心的王健全等[2]以啄木鳥為研究對象，根據(jù)Micro-CT顯微掃描數(shù)據(jù)，采用FDM工藝重建了啄木鳥頭骨的三維模型，完成了啄木鳥的喙部仿生結(jié)構(gòu)的制造。在自然樣本量不足的條件下，該模型可為啄木鳥頭部性能測試及能量吸收機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。

西北工業(yè)大學(xué)汪焰恩等[3]研究了骨骼的內(nèi)部微細結(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)計方法，在此基礎(chǔ)上通過控制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，從而實現(xiàn)了個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特點，并可增加觀察視場，明確病癥分型，從而有助于制定固定骨釘和骨板實際操作方案、規(guī)劃替代骨植入方案，為術(shù)前手術(shù)設(shè)計、復(fù)位模擬、內(nèi)置物選擇、三維數(shù)據(jù)測量等重要手術(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)時間，減少術(shù)中和術(shù)后并發(fā)癥幾率。

在部分應(yīng)用場景中，形態(tài)仿生更注重模型的外表，對其內(nèi)部沒有要求，因此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)Wang等[4]開發(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程中，增材制造技術(shù)也派上了用場[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展示了作者所在實驗室采用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)教科書上的二維圖片(黑白或彩色)，三維實體模型更逼真，用于教學(xué)演示道具時效果更好。

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)計階段和文創(chuàng)產(chǎn)品領(lǐng)域，能快速將設(shè)計師腦海中的產(chǎn)品變成實物直觀展現(xiàn)出來，從而提供優(yōu)化、改進的條件。

3 結(jié)構(gòu)仿生

隨著增材制造技術(shù)的進步，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，并對材料的層內(nèi)裝配角度和面內(nèi)裝配角度進行了優(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)件具有良好的強韌匹配性。

螃蟹的蟹鉗十分堅硬，是其捕食的利器。南京航空航天大學(xué)顧冬冬團隊[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)(見圖2)，所用材料為NiTi形狀記憶合金。經(jīng)測試表明，該結(jié)構(gòu)的能量吸收系數(shù)達到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) 在壓縮試驗期間用于全場應(yīng)變測量的實驗系統(tǒng)，(g) 壓縮試驗的試樣尺寸

鳥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)的鋁合金機身，并對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。俄羅斯圣彼得堡彼得大帝理工大學(xué)的Orlov等[11]通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件對基于傳統(tǒng)工藝設(shè)計的支架進行了優(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。在輕量化過程中，蜂窩結(jié)構(gòu)是一個重要的仿生對象。自然界的蜂窩由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這種結(jié)構(gòu)具有節(jié)省材料、容量大、堅固等特點。印度國防部材料工程部Korde等[12]總結(jié)了采用增材制造技術(shù)制造蜂窩結(jié)構(gòu)的研究進展，并指出這種結(jié)構(gòu)在汽車、航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

人體骨骼也是經(jīng)過億萬年自然界優(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)、承載能力強的優(yōu)點。然而，由于各種原因人體骨骼會受到傷害，造成骨缺損，成為骨科臨床最常見的疾病之一。骨缺損嚴(yán)重損害身體健康，如何對骨缺損修復(fù)重建一直是國際臨床難題。采用3D打印技術(shù)制備金屬骨骼植入物是解決這一問題的有效方法之一，目前該技術(shù)還處在快速成長期，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、強度、模量等各方面與人體骨骼接近，能誘導(dǎo)骨骼生長的植入物，仍需要做大量的研究工作。南京航空航天大學(xué)喻長江等[14]提出了多級晶格仿生微結(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。北京航空航天大學(xué)Li等[16]對比了具有相同孔隙率的中心對稱單元和對角線對稱單元的性能差別，發(fā)現(xiàn)中心對稱單元的抗壓能力更強，但抗扭轉(zhuǎn)能力不如對角線對稱單元，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。華中科技大學(xué)Yang等[17]對增材制造多孔結(jié)構(gòu)件的壓-壓疲勞性能進行了研究，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)仿生就是通過研究、分析生物體的結(jié)構(gòu)，了解它們的性能、組成及運動機制，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，最終達到節(jié)省原材料、提高承載能力、增強構(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，對其具備的特殊功能進行提煉借鑒，結(jié)合改進現(xiàn)有產(chǎn)品的短板和不足之處，實現(xiàn)產(chǎn)品的性能提升和更新?lián)Q代。功能仿生設(shè)計源于自然，但不是機械地對自然進行抄襲和復(fù)制，而是理解仿生對象生物系統(tǒng)原理的實質(zhì)，并加以借鑒提升。功能仿生主要依靠Polyjet、直接墨水書寫(direct ink writing，DIW)、SLM、SLA等工藝實現(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)顧冬冬團隊[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150°。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍團隊[19]對超疏水材料領(lǐng)域的研究進展進行了總結(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)和藍藻細菌。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藻。將蘑菇暴露在陽光下可以激活藍藻的光合作用，而GNRs電極網(wǎng)絡(luò)負責(zé)收集由藍藻細菌產(chǎn)生的電能，最終產(chǎn)生光電流。藍藻菌產(chǎn)生的電流大小取決于它們的排列方式和密度，藍藻菌越密集，產(chǎn)生的電能越多。這項工作可能成為下一代生物交叉應(yīng)用的巨大機遇，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)，重建一個模型，并采用SLA技術(shù)實現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)，可用于開發(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。

機械手臂的抓取功能是其一項重要的功能，與控制系統(tǒng)結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)物體的精準(zhǔn)移動。德國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)機械手臂實現(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現(xiàn)抓取功能的軟體機械手，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3D打印義肢的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了研究，發(fā)現(xiàn)只需要對角度進行較小調(diào)整即可改善使用性能并降低成本，說明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)還被用來制造各種傳感器件。近年來，3D打印的耳朵、皮膚、眼睛相繼問世[25-27]，給更多失能人士帶來了福音。

2013年，美國普林斯頓大學(xué)Michael 等[25]使用3D打印技術(shù)打造了一個內(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”到超越人類聽力范圍的無線頻率(圖3)。這樣，它就可以幫助聽覺神經(jīng)末梢有問題的患者重新恢復(fù)或提高聽力能力，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，美國明尼蘇達大學(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打印出柔性電子傳感設(shè)備，外觀接近真正的皮膚。打印機4個噴嘴能噴出不同類型的“墨水”以打印各個分層。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，并實時感應(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，通過皮膚監(jiān)測人體健康狀況，還能幫助探測危險化學(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打印機創(chuàng)建了一個能夠檢測光照水平變化的“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，從銀粒子基礎(chǔ)墨水開始打印，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，由此制造出了一個能夠檢測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)膜細胞可接收的電脈沖，視網(wǎng)膜細胞將圖像信號傳回大腦。這一技術(shù)有望讓數(shù)百萬人重見光明。

此外，利用增材制造技術(shù)打印活體生物器官也有了長足進步。2015年，美國Organovo公司利用增材制造技術(shù)將活細胞組合在一起形成可用的器官結(jié)構(gòu)，成功打印出全細胞腎臟組織[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特優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

本文從形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生3個方面闡述了增材制造技術(shù)在仿生學(xué)方面的應(yīng)用，并列舉了一些典型應(yīng)用案例。仿生學(xué)是一門快速發(fā)展的學(xué)科，近年來的研究取得了長足進步，但也存在很多問題，例如由于制造精度、復(fù)雜度的限制，很多具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)。在這類問題的突破方面，增材制造技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，可以起到十分積極的作用。增材制造技術(shù)與仿生學(xué)相輔相成、相得益彰，未來將在各行各業(yè)中大展身手，獲得更廣闊的應(yīng)用空間。