大自然是否印证着可持续发展的答案？了解仿生学及其在3D打印领域的实际应用

导读：我们使用的所有东西都来自自然资源，同时自然生态系统经常被认为是可持续性的模型，这是否意味着每个受自然启发的3D打印产品实际上都更加环保呢？以下为南极熊获悉的那亚大学研究员兼副教授Libonati Flavia的观点。

探索大自然对激发3D打印的灵感是非常有意义的。事实上，很多3D打印公司已经开始探索仿生学的概念，并在此过程中揭示了一些受自然启发的酷炫的设计。今天，我们仍在探索可持续发展的概念，以及将其转换为工业应用的可行性。

研究员兼副教授弗拉维亚·利博纳蒂（Flavia Libonati）的研究工作是自然、材料、3D打印和工程的交叉点。她的研究重点是从分子到工程尺度的生物结构材料（如骨骼和珍珠层）的增韧和新型复合材料的设计。她使用枚举设计的方法，结合自然和工程原理，包括3D打印，以改善材料的机械性能，从而以最佳方式成功组合它们。

从一开始，利博纳蒂就说："我们正在处理一个双向的过程。3D打印可以改变仿生学，反之亦然。一方面，3D打印彻底改变了一切，包括仿生学设计方法。该技术及其原理打开了设计空间，打破了几何制造障碍，现在使设计师能够3D打印具有非常复杂形状的组件。另一方面，仿生学改变了3D打印，在功能层面上开辟了新的视角和变化。例如，它有助于探索新的材料可能性。例如，4D打印可以通过添加新的维度在打印组件中获得新功能，因此它超越了零件的简单制造。“

教授进一步解释了工程师利用的自然原理："自然是一把神器的雕刻刀，它创造了各种材料，这些材料具有多功能，高效和可持续性。如果你想想自然界中看到的基本材料 - 珍珠层，竹子，骨头等。”它们具有非常复杂的结构并且非常多样化，并且这种结构和功能的多样性也可以在相同的材料中看到。例如，骨骼是一种具有许多子结构的材料，这些子结构由矿物质和蛋白质组成。这些结构在不同的长度尺度上混合在一起，产生能够在体内执行不同功能的不同复杂的宏观结构。

骨组织虽然与类似结构的海绵有着截然相反的力学强度，但两者都是由类似的构建块制成的。我们可以用3D打印做同样的事情。我们从这些构建块开始，然后我们研究自然以及特定的局部形状如何影响和增强整个零件的性能。此后，我们尝试将这些构建块组合在一起，并使各种子结构多样化，以突出具有不同特性的复合材料。

材料在自然界中工作方式只是一个特别的例子，Libonati指出，“3D打印价值链的每一个行业都可以看到他们的工作受到仿生学方法的影响。这包括设计师，材料专家，甚至零件生产商。"在设计师的工作中，仿生学方法将影响创意部分，并有助于提供受自然启发的最佳解决方案。另一方面，材料专家需要了解这些解决方案的工作原理以及如何将其转化为合成材料，同时牢记后者不像生物材料那样是活材料。

作为研究项目的一部分，弗拉维亚·利博纳蒂与研究人员一起，对晶格启发材料的"结构 - 性质"关系有了更深入的了解。虽然这项研究从受立方体Bravais晶格启发的单个单元细胞开始，研究小组一方面利用他们从自然界学到的知识，另一方面利用一套包括3D打印和机械测试在内的方法，研究不同打印参数的影响，以及数值建模来设计轻质建筑材料。完美诠释了 "由大自然来源的精心设计，创造承受特定的局部负载并满足不同的功能需求的轻质结构"。

通过展望未来，模仿晶体材料的特征微观结构将允许在更大尺度上复制晶体的典型行为，将自然结构的硬化特性和轻质架构结构的优势相结合，从而产生具有多种功能的新型材料。

我们将从Libonati的解释总结出的是，"大自然从纳米尺度开始，以分层组织的方式做任何事情，我们需要找到一种方法将过程转化为制造，同时保持多尺度的精度。通过这种方式，我们将找到更好的方法来开发新的高性能材料。3D打印领域内仿生学方法将引导未来新材料和新结构的创造。