供稿人：李宏偉 ,李滌塵 發(fā)布日期：2017-04-05
由哈佛大學(xué)威斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和丹麥奧爾胡斯大學(xué)（Aarhus University）以及德國馬克斯普朗克膠體與界面研究所（Max Planck Institute of Colloids and Interfaces）組成的研究團(tuán)隊(duì)為獲得強(qiáng)度更好的材料，嘗試從牡蠣和鮑魚外殼結(jié)構(gòu)（圖1）獲取設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用基于算法的設(shè)計(jì)和多材料3D打印探索是什么原因?qū)е仑悮け认嗤V物質(zhì)構(gòu)成的構(gòu)件強(qiáng)度要高出大約3000倍。
圖1：（鮑屬軟體動(dòng)物）鮑魚和（珠牡貝屬）牡蠣貝殼層的搭接結(jié)構(gòu)。圖片來自Simon Fr?lich, James C. Weaver, Mason N. Dean and Henrik Birkedal
研究過程由四部分構(gòu)成（圖2）：
第一階段：拍攝貝類外殼的掃描電子顯微鏡圖像，目的是揭示細(xì)胞內(nèi)部的幾何形態(tài)，以更好的理解貝殼（也被稱作是珠母貝）的“磚塊和砂漿”堆積結(jié)構(gòu)。以及貝殼是如何通過堅(jiān)硬的礦物“磚塊”和柔軟有彈性的“水泥”結(jié)合而建造的。
第二階段：在第一階段獲取的設(shè)計(jì)信息被用來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模算法。
第三階段：研究人員用Stratasys公司的多材料打印機(jī)Connex500將參數(shù)化模型打印成型， PolyJet材料白色樹脂和透明樹脂混合作為“磚塊”，透明類橡膠彈性材料作為“水泥”。
第四階段：對(duì)打印出的部件進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試，模擬鮑魚以及牡蠣在自然環(huán)境中遇到的諸如來自皮皮蝦的猛烈擊打（圖3）。
多次重復(fù)實(shí)施這四個(gè)過程，之后又對(duì)3D打印出的材料進(jìn)行電子掃描顯微鏡圖像拍攝以進(jìn)一步研究目標(biāo)物內(nèi)部精確和完美的結(jié)構(gòu)。
圖2：研究思路圖
圖3：皮皮蝦對(duì)螃蟹的襲擊.
Clip via?Mantisman??on YouTube研究認(rèn)為：參數(shù)化設(shè)計(jì)為3D模型構(gòu)成元素與理解目標(biāo)物是如何工作建立了聯(lián)系。參數(shù)化模型在3D打印之前，需要首先建立物體的內(nèi)部幾何形狀，該種研究方式將造型和功能結(jié)合在了一起，為巨大設(shè)計(jì)參數(shù)空間建立了高效和高通量的實(shí)驗(yàn)甄別，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征的探索在材料性能的表現(xiàn)當(dāng)中顯得尤為重要。該研究最終的三維實(shí)物模型不是研究之后的直接仿制物也不是高度簡化的結(jié)構(gòu)類似體。該研究過程中參數(shù)-變量式的方法優(yōu)勢(shì)在于其可以創(chuàng)建靈活高效的真實(shí)三維模型，這種三維模型易于修改并且可以應(yīng)用在任何系統(tǒng)中。仿制自然強(qiáng)度，以及其他生物學(xué)材料特性為未來制造指明了方向。
隨著3D打印技術(shù)的成熟和應(yīng)用，設(shè)計(jì)師開始不斷從生物結(jié)構(gòu)中獲得啟發(fā)：位于西班牙馬德里的3D打印大橋（圖4），米蘭的骨狀亭（圖5），加拿大麥吉爾大學(xué)的研究小組利用3D打印仿制并且測(cè)試了犬牙交錯(cuò)狀的龜外殼結(jié)構(gòu)。
圖4：位于西班牙南部的3D打印大橋
圖5：米蘭骨狀亭