大自然是否印證著可持續(xù)發(fā)展的答案？了解仿生學及其在3D打印領域的實際應用

導讀：我們使用的所有東西都來自自然資源，同時自然生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)常被認為是可持續(xù)性的模型，這是否意味著每個受自然啟發(fā)的3D打印產品實際上都更加環(huán)保呢？以下為南極熊獲悉的那亞大學研究員兼副教授Libonati Flavia的觀點。

探索大自然對激發(fā)3D打印的靈感是非常有意義的。事實上，很多3D打印公司已經(jīng)開始探索仿生學的概念，并在此過程中揭示了一些受自然啟發(fā)的酷炫的設計。今天，我們仍在探索可持續(xù)發(fā)展的概念，以及將其轉換為工業(yè)應用的可行性。

研究員兼副教授弗拉維亞·利博納蒂（Flavia Libonati）的研究工作是自然、材料、3D打印和工程的交叉點。她的研究重點是從分子到工程尺度的生物結構材料（如骨骼和珍珠層）的增韌和新型復合材料的設計。她使用枚舉設計的方法，結合自然和工程原理，包括3D打印，以改善材料的機械性能，從而以最佳方式成功組合它們。

從一開始，利博納蒂就說："我們正在處理一個雙向的過程。3D打印可以改變仿生學，反之亦然。一方面，3D打印徹底改變了一切，包括仿生學設計方法。該技術及其原理打開了設計空間，打破了幾何制造障礙，現(xiàn)在使設計師能夠3D打印具有非常復雜形狀的組件。另一方面，仿生學改變了3D打印，在功能層面上開辟了新的視角和變化。例如，它有助于探索新的材料可能性。例如，4D打印可以通過添加新的維度在打印組件中獲得新功能，因此它超越了零件的簡單制造�！�

教授進一步解釋了工程師利用的自然原理："自然是一把神器的雕刻刀，它創(chuàng)造了各種材料，這些材料具有多功能，高效和可持續(xù)性。如果你想想自然界中看到的基本材料 - 珍珠層，竹子，骨頭等。”它們具有非常復雜的結構并且非常多樣化，并且這種結構和功能的多樣性也可以在相同的材料中看到。例如，骨骼是一種具有許多子結構的材料，這些子結構由礦物質和蛋白質組成。這些結構在不同的長度尺度上混合在一起，產生能夠在體內執(zhí)行不同功能的不同復雜的宏觀結構。

骨組織雖然與類似結構的海綿有著截然相反的力學強度，但兩者都是由類似的構建塊制成的。我們可以用3D打印做同樣的事情。我們從這些構建塊開始，然后我們研究自然以及特定的局部形狀如何影響和增強整個零件的性能。此后，我們嘗試將這些構建塊組合在一起，并使各種子結構多樣化，以突出具有不同特性的復合材料。

材料在自然界中工作方式只是一個特別的例子，Libonati指出，“3D打印價值鏈的每一個行業(yè)都可以看到他們的工作受到仿生學方法的影響。這包括設計師，材料專家，甚至零件生產商。"在設計師的工作中，仿生學方法將影響創(chuàng)意部分，并有助于提供受自然啟發(fā)的最佳解決方案。另一方面，材料專家需要了解這些解決方案的工作原理以及如何將其轉化為合成材料，同時牢記后者不像生物材料那樣是活材料。

作為研究項目的一部分，弗拉維亞·利博納蒂與研究人員一起，對晶格啟發(fā)材料的"結構 - 性質"關系有了更深入的了解。雖然這項研究從受立方體Bravais晶格啟發(fā)的單個單元細胞開始，研究小組一方面利用他們從自然界學到的知識，另一方面利用一套包括3D打印和機械測試在內的方法，研究不同打印參數(shù)的影響，以及數(shù)值建模來設計輕質建筑材料。完美詮釋了 "由大自然來源的精心設計，創(chuàng)造承受特定的局部負載并滿足不同的功能需求的輕質結構"。

通過展望未來，模仿晶體材料的特征微觀結構將允許在更大尺度上復制晶體的典型行為，將自然結構的硬化特性和輕質架構結構的優(yōu)勢相結合，從而產生具有多種功能的新型材料。

我們將從Libonati的解釋總結出的是，"大自然從納米尺度開始，以分層組織的方式做任何事情，我們需要找到一種方法將過程轉化為制造，同時保持多尺度的精度。通過這種方式，我們將找到更好的方法來開發(fā)新的高性能材料。3D打印領域內仿生學方法將引導未來新材料和新結構的創(chuàng)造。