3D打印技術為制造受生物系統啟發的、具有復雜異構結構的材料開辟了一條極具吸引力的途徑。基于3D打印的多級仿生制備策略，讓輕型蜂窩材料、強韌的復合材料、軟機器人，以及具備前所未有的特性和功能的自動成型結構的制造成為現實。在未來的研究中，推動3D打印技術發展將使我們更接近生物體的制造能力，為高性能、低環境影響且具有新功能的先進材料的數字化制造鋪平道路。

3D打印技術具備在人造物體中復制生物材料結構特征的獨特能力，它能夠從下至上逐層、精準地控制局部的微觀結構和化學成分。有趣的是，這種逐層合成方法與生物體在自然界中通過依次沉積物質構建生物材料的方式存在諸多共同特征：以連續或逐步的方式構建結構模塊；確定要組裝的材料的宏觀形狀和局部性質的編程代碼；按照該代碼的機制控制沉積的結構模塊的化學性質和方向；以異質分層或像素化架構的形式將沉積的材料固定在適當位置。

一、輕木仿生蜂窩結構的3D打印制造

輕木是輕質天然復合材料的典型代表，墨水直寫成型技術因其適合打印顆粒材料，可用于制造模仿輕木的蜂窩狀結構。仿生的兩個關鍵結構特征，一是整個物體采用低重量蜂窩結構，二是運用硬纖維加固蜂窩結構壁。

以墨水直寫成型技術打印具有不同單元蜂窩結構的聚合物為例，通過將納米粘土薄片摻入作為聚合物基質的環氧樹脂中，成功將樹脂的流變性從牛頓型轉變為粘彈性，從而實現了在彈性和屈服應力條件下打印此類結構。向包含純樹脂和納米粘土的環氧墨水中添加碳化硅微米片（直徑為0.65μm，平均長度為12μm）和碳纖維（直徑為10μm，平均長度為220μm），能夠在多個尺度上增強打印蜂窩結構壁的強度。摻入的纖維不僅增加了墨水的儲存性，還提高了其損耗模量，同時保持了打印過程中所需的粘彈性。在該示例性系統中，通過100℃和220℃的雙重固化工藝，可對打印的結構進行固結。

對代表壁材料的打印拉伸棒進行機械測試證實，硬質碳纖維和碳化硅微米片的存在能顯著提高固結的環氧聚合物的彈性模量，尤其是當增強物平行于加載方向（縱向）排列時，提升效果更為明顯。使用包含纖維和微米片的墨水打印的蜂窩狀結構，通常會導致沿打印方向的平行增強，這是由于墨水在通過噴嘴擠出過程中產生的剪切應力所致。平行效果的剪切應力在靠近噴嘴壁處更為明顯，噴嘴直徑足夠小，使得在長絲的整個橫截面中都呈現剪切力誘導的平行狀態。

改變打印細絲之間的距離，能夠輕松調節多孔支架的最終密度和機械響應。應力 - 應變曲線的形式顯示了具有不同相對密度的三角形蜂窩結構的壓縮機械性能。在結構的機械加載過程中觀察到的多個載荷下降，是由多孔材料內的單個破裂引起的。這種局部破裂特性有助于增加支架的整體斷裂能。平行于加載方向（縱向）排列的斷裂表面表明，纖維拉出是這些復合材料的一種主動增韌機制。

打印蜂窩的相對彈性模量與相對密度呈線性關系。考慮到打印單元壁的數量，如果波紋度高，則可以通過簡單的分析表達式合理地預測彈性模量的絕對值。打印的三角形蜂窩的抗壓強度與相對密度的平方成比例。在較弱的以彎曲為主的六邊形格子中，縮放比例指數通常為2。在壓縮測試期間，確實觀察到節點的旋轉和單元壁的彈性屈曲，證實了蜂窩以彎曲破裂為主，這反映在單個破裂中，類似于輕木在其較弱的橫向方向上的破裂機理。節點錯位是此類破裂機制出現的最可能原因，也是三角蜂窩無法達到預測的更高強度水平的最可能原因。增強顆粒的存在將基礎環氧樹脂的彈性模量和強度提高到與輕木多孔壁相當的水平，并且比大多數商用3D打印聚合物的楊氏模量和強度高約一個數量級。

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