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摘 要：仿生结构能够克服传统结构和材料的缺陷，并能突破一些困难从而实现高性能和功能。增材制造（3D 打印）技术可以实现复杂结构的成型，从而可以制备出具有优越力学性能和更多样化功能的仿生结构。随着增材制造技术的不断发展，增材制造技术与仿生结构设计的结合越来越受到人们的关注。同时，增材制造仿生结构具有良好的力学性能和功能，在航空航天、轨道交通、机械工业、生物医学工程等领域受到关注。
本文总结了近年来 3D 打印仿生结构的研究进展，主要集中在力学性能优化和功能方面。优化的力学性能主要包括吸能、高强度、高刚度等，而功能则与传感、驾驶、医学等有关。最后，本文对增材制造仿生结构的优势、现有研究局限性和未来发展进行了展望。
3D 打印仿生结构可以在吸能、强度、刚度等力学性能上对传统结构优化。国内外学者通过仿生学和增材制造技术设计制备了仿生吸能结构、高强度结构、高刚度结构。这些结构在航空 航天、汽车和体育器材等对强度、刚度有严苛需求的行业具有很好的应用前景。本文总结的仿生结构在力学性能上的优化情况如表 1 所示。
泡沫结构是一种典型的多孔轻质结构。当外力作用于泡沫结构时，泡沫支撑部分的形变和内部空间压缩能够有效地分散外荷载，从而减少冲击、压缩等外力传递给其它部分的可能性。因而，泡沫结构是一种理想的吸能材料，能够提供吸能功能而不会显著增加其重量。国内外已经把高性能泡沫结构作为承载的结构在航空航天、交通运输等领域使用。
丝瓜海绵具有大孔和微孔的分层细胞结构，而大孔周围坚硬的内表面层大大提高了其强度，Fan等人为模拟这种层次化的生物细胞结构将薄壁碳纤维增强聚合物管嵌入到铝泡沫中，构建了一种类似葫芦海绵的分层泡沫结构（图 3(a)），此结构中的碳纤维增强聚合物管可采用增材制造制备。
Tane 等人参考此独特的多孔结构，采用连续区域熔融的增材制造技术制备了一种圆柱形空腔多孔结构（图 3(b)）。
Rhee 等人设计了几种能够使用增材制造制备、与箱龟壳层结构类似的泡沫铝结构（图 3(c)），并发现仿生泡沫结构与其他天然大孔泡沫结构的 SEA 相比，增加了10%至 30%。
Zhang等人以柚子皮对果肉屏蔽保护为灵感，利用金属 3D 打印技术，设计了一种类柚子皮的仿生多孔结构（图 3(d)），该结构不但具有散热功能 ， 还 具有 高 的 吸 能 能 力 （ SEA 为13.2J/g），这优于大多数晶格或多孔金属泡沫超材料，即在吸能上得到了优化。
夹心结构一般由柔软的内层夹和两个坚硬的外壳构成，该结构可以在遭受意外碰撞时通过塑性变形来吸收冲击能量，因此具有良好的冲击能量吸收能力。
Yang 等人设计出一种新型的轻质仿生双正弦波纹（DCS）夹层结构（图 4(a)），该结构模仿螳螂虾外壳利用两个不同的波纹方向来增强结构吸收能量的能力。
Nayeon Lee 等人通过透射电镜观察啄木鸟上喙发现其上喙是呈多孔状、密集角蛋白颗粒的蜂窝状结构（图 4(b)）。
San Ha 等人设计 了 一 种 新 型 仿 生 多 孔 蜂 窝 夹 层 板 （ 图4(c)），板壁被设计成波浪状，并对这种新型夹层板进行纳米压痕测试，结果表明在芯材厚度相同的情况下，新型夹层板的比能量吸收量是标准蜂窝夹层板的 1.25 倍。
Sun 等人受此启发设计了一种加强夹层结构的软蜂窝芯（图 4(d)），即在蜂窝芯中嵌入了周期性的仿生网格，这种网格即充当着树叶的强韧脉。随后对其进行面内压缩实验，结果表明，加强夹层结构的刚度和比能吸收比相较于 传 统 蜂 窝 三 明 治 板 分 别 高 出 5.3% 和125%。这种加强夹层结构为使用增材制造开发更高性能的轻质夹层结构提供了一种新颖的设计思路。
蜂窝结构在自然界中十分常见，其材料主要分布在外壳和支撑区域，此结构特征使得应力能够均匀分布到整个结构中，而不会集中在特定区域，均匀的应力分布有助于减少应力集中和损伤的可能性，提高结构的强度和韧性。此外蜂窝结构的胞元之间可以沿多个方向相互支撑。这种多向支撑能够分散外部应力的作用，减少结构的变形和破坏风险。这种独特的机制使蜂窝结构具有强大的承载能力，并让蜂窝结构成为热门的仿生结构之一。
Yang 等人根据马蹄的微观结构设计了一种仿生蜂窝结构（图5(a)），并深入分析了马蹄形蜂窝结构在轴向压力下的能量吸收行为。与传统的蜂窝结构相比，马蹄形蜂窝结构的抗压强度提高了43.8%。引入马蹄状蜂窝结构为增材制造中设计高强度的蜂窝结构提供了一种新颖的思路。
Zhang 等人受柚皮结构特点的启发，设计了一种新型具有分层多孔结构的六边形材料（图 5(b)）。分层蜂窝结构的比能量吸收相较于标准蜂窝结构提高了约15%。
He 等人设计出一类拥有蛛网层次的多孔蜂窝结构（图 5(c)），分别采用了一级和二级层次结构。随后压缩实验结果表明一级蛛网、二级蛛网等级蜂巢的比强度相较于普通蜂窝结构分别增加了62.1%、82.4%。这样的结果为设计具有更高强度的分层材料提供了有价值的参考。
受到海胆结构的启发，Peng 等人参考三周期最 小 表 面 细 胞 结 构 核心（TPMS）采用 3D 打印技术、实验、理论公式和数值模拟相结合的方法研究了一类新型轻质陀螺结构（图 6(a)）。
Marco Pelanconi 等人通过观察蝴蝶翅膀的鳞片设计出一 种超轻陀 螺结构（ 图6(b)），并采用立体光刻 3D 打印技术将塑料部件打印成主体结构，并将碳纤维增强筋取代肋骨连接到主体结构。弯曲试验结果表明碳纤维加固后的结构的最大承受荷载比未加固结构提高了180%。
Tavangarian 等人模拟曲霉 EA海绵 的针状结构，开发并使用增材制造技术制备了一种改善杆力学性能的新结构（图 7(a)）。
Jigar Patadiya 等人通过 3D 打印制备了两种珠层结构（图 7(b)），分别是珠层柱状（NC）和珠层片状（NS），其力学性能表征结果表明，与整齐的 NC 样品相比，珠层结构 NS 的抗冲击性能为 112.098 J/m（提高9.37% ）， 弹 性 模 量 为 803.415 MPa （提 高11.23% ）， 弯 曲 模 量 为 1563 MPa （提 高10.85%），均高于 NC，而与纯几何结构相比，NS结构 的 冲击 、 弹 性 模 量 和 弯 曲 模 量 分 别 提 高 了36%、29%和 37%。
Sun 等人通过模仿螳螂虾外壳的这种双连续结构（ 图 7(c)），使 通 过用增材制造制备的陶瓷复合材料具有出色的韧 性 和承载 能 力 ， 与 纯 陶 瓷 材料 相比 韧 性 提 高 了约 116 倍。
3D 打印仿生结构不仅可以明显提升其力学性能，而且可以拓宽其功能。通过功能化的设计，3D 打印仿生结构在更多领域得到了运用。本章讨论 3D 打印仿生结构功能化设计及应用，总结了传感、驱动、生物医学以及其它功能在3D 打印仿生结构上的实现。
He 等人构建了一种模仿乌贼骨骼的生物结构（图 8(a)），通过 3D 打印技术制备，并在该结构中生长了环保的压电晶体，从而形成了一种具有高强高韧力学性能和压电传感功能的可持续、可修复附加保护层。
基于 3D 打印技术，Guo 等人制备了一种可重构仿跳蚤柔性压力传感器（FPS）（图 8(b)），并通过定制专用结构参数，使其可满足不同场景的需求。
基于 3D 打印技术，Li 等人模仿细胞的结构特点开发了一种具有超灵敏特性和机械发光活性的复合材料（图 8(c)），即将水凝胶嵌入鞭毛藻使得其对应力具有近乎瞬时的超灵敏生物发光响应，其响应时间为 15 到 20 毫秒，随后利用这种活体复合材料 3D 打印成具有高空间分辨率的大尺度机械发光结构。
Sun 等人受血管平滑肌的启发提出 了 一 个 软 自 愈 聚 脲 模 型 系 统 （图8(d)），这种系统能在保持软自愈特性的同时拥有高抗裂纹扩展能力。
Cikalleshi 等人受 Acer campestre 植物种子传播性启发，采用聚乳酸作为生物相容性基质，并添加光致发光的掺镉稀土材料，温度作为检测的物理参数，利用 3D 打印技术制备了一种具有发光功能的种子状飞翔器（图 8(e)）。
Esteves 等人发展了一种基于离子液体结构的软材料，可用于湿度和气体传感。这种离子液体软材料（图 8(f)）对不同极性和亲水性的化合物具有不同的响应能力，并且能够在干燥和湿润条件下进行气体传感。
自然界中的生物，存在不同的运动规律。仿生驱动结构受到生物体运动机制和力学原理启发，以实现高效、灵活和适应性强的运动控制。
Youssef等人使用了选择性激光烧结（ SLS）、熔融沉积建模（FDM）和 CO2 激光切割等多种增材制造技术设计了一种软刚性混合机器鱼（图 9(a)）。
Moradi 等人首次报道了在截肢者假手的临床手术中植入磁性标签（图 9(b)），并采用了 3D 打印技术制造假肢拇指。
Li 等人通过对金属玻璃的结构设计和激光加工参数的调控，成功设计出类似于含羞草具备优异抗疲劳性能的金属仿生结构（图 9(c)）。
Pascali 等人提出了一类气动人造肌肉（图 9(d)）来模仿生物肌肉的收紧和拉长，从而实现复杂、逼真的运动。
Qi Wang 等人选择具有热塑性的聚乳酸 PLA 为变刚度材料，利用激光雕刻机将石墨烯薄膜加工成 PGHN，然后将其与 3D-PLA 的目标加热位置键合，形成 PGHN/ PLA 变刚度结构（图 9(e)）。
随着增材制造技术的发展越来越成熟，其在医学当中的运用也越来越广泛和深入，3D 打印生物结构具有灵巧、精密、耐久、适应性强等特点。3D 打印在医学领域的应用突破了很多医学技术的瓶颈，解决了骨骼、关节、半月板和皮肤再生技术，组织内部用药、神经植入监控技术等医学难题。3D 打印生物结构在生物医学工程上的运用越来越受到人们的重视，该项技术在医学上的应用在未来的发展前途不可估量。
Zhang 等人使用数字激光处理（DLP）为基础的 3D 打印技术成功制备 了 模 仿 骨 组 织 结 构 的 生 物 陶 瓷 支 架 （图10(a)），可用于骨再生中的多细胞传递。
Mohsen等人利用 FDM3D 打印方法以 PLA 为原料制备出TPMS 骨支架（图 10(g)），随后再用氧化石墨烯对其涂层以增强其生物性，在随后的实验和细胞培养中，验证了其具有良好机械和生物学特性。
Yan等人受半月板自然成熟和再生过程的启发，开发了一种有效的转化策略，通过 3D 打印制造了仿生半月板支架（图 10(b)）来结合自体滑膜移植以促进半月板再生，该支架含有丰富的内在间充质干细胞。
Jorgensen 等人将六种主要的人类皮肤细胞类型通过 3D 打印制造出由表皮、真皮层和真皮组成的三层皮肤结构（图 10(c)）。
Zhu 等人通过间接3D 打印技术制备活性注射微针（图 10(d)），设计了具有优异黏附能力和穿透软组织或黏液屏障能力的微针贴片，实现组织内局部用药时的表面屏障穿透和可控药物递送。
Zhou 等人受蚊子口器启发提出一种仿生神经探针系统（图 10(e)），该系统通过两光子 3D 打印制造了微管道轨道模块的基座，并集成了高灵敏度传感器和高保真多通道柔性电极阵列。
Fan 等人提出一种自下而上的激光直接组装策略，在单材料一步工艺中制造多维纳米褶皱结构（图 10(f)）。通过使用激光直接组装（FsLDW）技术，成功制造出纳米皱纹结构的 3D微结构。
3D 打印仿生结构不仅可以实现传感、驱动功能，并在生物医学工程上具有广泛的应用前景，也可以实现其它特殊功能如电磁波吸收、太阳能转换、光学成像等。利用 3D 打印的灵活性和精确性，结合仿生学的原理，制造设计出具有复杂形状和优化性能的结构，为未来的创新提供了巨大的潜力。
An 等人受 Parides sesostris 蝴蝶翅膀上的陀螺超宽带电磁波吸收超材料结构的启发，提出了一种新颖的电磁波吸收结构单元（图 11(a)）。
Wang 等人设计了一种基于投影微立体光刻3D 打印 技 术 制 作 的 仿 生 太 阳 蒸 发 器 （图11(b)），这种蒸发器模仿了树木的蒸腾过程，即将水凝胶作为叶子，微通道作为植物茎内的血管，实现高效的太阳蒸发。
Hu 等人设计了一种利用飞秒激光双光子聚合技术制造的微型光电集成相机，并利用3D 打印和紫外遮光固化的两步法制备仿生复合眼透镜（图 11(c)）。它可以实现空间位置识别、对移动目标轨迹监测、与微流控芯片集成，用于微生物的实时监测。
本文综述了采用增材制造技术制备的仿生结构在力学性能优化和功能设计上的研究进展。随着仿生技术和增材制造技术越来越成熟，增材制造与仿生结构设计的结合在未来也会日趋广泛。目前利用增材制造技术制造仿生结构的相关报道仍相对偏少，这也许与增材制造技术成型过程易产生缺陷相关，但是增材制造技术成型技术的灵活性始终是科研者们选择它的一个坚定不移的理由。同时自然界中复杂结构远远超出传统的设计和制造技术的能力，这阻碍了仿生学研究的进展及其在工程系统中的使用。因此，增材制造技术为模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能结构提供了新的机遇，这与增材制造逐层累加材料实现制备的成型特点离不开。采用增材制造技术制备仿生结构不仅仅在吸能、强度、刚度上有良好的提升，而且还实现了传感、驱动、医学工程等功能，这充分证明了增材制造技术与仿生结构设计相结合的重大意义。
目前利用增材制造技术制备仿生结构可以实现力学性能和功能特性的突破这一点毋庸置疑，但是为了将增材制造技术和仿生结构设计结合得更好，还需要做到以下几点：
（1）进一步研究自然界的合成机制，从而设计出可用于工程系统的仿生结构。自然界创造生物体经历了相当长的时间，相比之下增材制造技术作为一种人工制造技术，其发展时间仍非常短。所以了解自然界中材料形成过程的机理，可能会启发我们找寻到一种以更短时间模拟自然生长过程的替代方法。所以将增材制造技术和仿生结构相结合，不应该仅仅是简单地复制生物结构，还应该进一步深入了解合成这些天然材料的技术，这就需要我们对这些天然材料的形成机理有一个更深入的了解。
（2）自然界中的结构材料一般是由多种材料组成（如蛋白质、多糖等），但仿生增材制造中使用的材料通常局限于聚合物、某些陶瓷材料和金属材料，具有一定的局限性。所以拓宽可用于仿生增材制造的材料种类，来开发新型的复合材料，也是一个关键的研究挑战。
（3）自然界中大部分生物结构都是多尺度和多功能的，这些生物材料的多尺度结构在实现功能整合方面发挥着重要作用。目前大部分仿生增材制造技术仅仅是在复刻自然结构的单一功能，其制造工艺还不能制造出多尺度、多功能的生物结构。所以尽可能地去制备出多尺度、多功能的生物结构是涉及多学科研究的一个持久挑战。
（4）为更好地制备复杂的生物结构，还需要进一步改进 3D 打印技术。针对不同尺寸结构开发相应的 3D 打印工艺，来解决仿生结构制备的多尺度挑战。另外也可以将增材制造技术和传统制造技术相结合，实现低缺陷高强度材料制备。总体而言，大自然的创造过程本身可以看作是一个增材制造的过程。大自然从一个单细胞开始，通过生长或从环境中获取材料，逐渐添加到一个有生命的有机体中。这样的过程可以激发新的增材制造技术来更有效和高效的方式创建更接近自然结构的对象。了解自然结构并通过 3D 打印复制它们并用于各种工程，将使有力推动仿生学领域的发展。未来的生物 3D 打印研究将属于多功能、多尺度、多材料和多维（4D 打印）制造的范畴。仿生增材制造技术的发展将进一步为未来工程系统构建下一代功能材料和结构带来突破。
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参考文献：李家雨，付宇彤，李元庆，付绍云．增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展[J/OL]．复合材料学报.