自下而上的組裝，自上而下的塑造

塑造物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室還采用了自下而上的方法，從基本的構(gòu)建模塊開始，讓自然界告訴材料的結(jié)構(gòu)。Masania一直專注于輕質(zhì)和強(qiáng)度，研究了珍珠、骨頭、木頭和蜘蛛絲等材料的層次復(fù)雜性。

以骨頭為例，通常會(huì)有一種離子溶液被細(xì)胞捕獲，在一個(gè)叫做生物礦化的過程中代謝，這些沉淀作為礦物組織沉積下來，馬薩尼亞指出。在植物細(xì)胞中也是如此。在植物細(xì)胞中，你會(huì)看到纖維素合成酶復(fù)合物，這是一種產(chǎn)生纖維素的酶，纖維素也被一層一層地沉積下來。常見的是這種納米級(jí)別的自下而上的組裝與自上而下的細(xì)胞塑造相結(jié)合。

Masania和他的團(tuán)隊(duì)利用AM將自下而上的自我組裝與自上而下的塑形相結(jié)合。與其他傳統(tǒng)復(fù)合材料制造方法相比，AM制造方法除了具有“復(fù)雜性免費(fèi)”、交貨時(shí)間短、減少加工步驟和減少浪費(fèi)等關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)外，就生物仿生而言，AM制造過程似乎也符合要求，因?yàn)榇笞匀坏慕ㄔ觳呗酝茿M。

體現(xiàn)該方法的一個(gè)例子是利用基于擠壓的3D打印來克服聚合物的弱點(diǎn)和低剛度問題。具體來說，自旋打印——一種熔合絲制造(FFF)印刷方法——被用來開發(fā)液晶聚合物(LCPs)的定向組裝和自組裝，以研究各向異性和孔隙率的作用，并將這些微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)。

在層次結(jié)構(gòu)上，lcp是非常基本的分子，并在局部以各向同性的方向排列。它們有一個(gè)非常特殊的技巧，這是在80年代建立的，Masania解釋說。當(dāng)你對(duì)各向同性的LCPs加熱，施加剪切或伸長應(yīng)力時(shí)，你就能夠在分子上定位材料。因此，我們能夠采用一種與傳統(tǒng)聚合物具有類似性能的材料，通過3D打印的分層結(jié)構(gòu)和定向，提升機(jī)械性能。這是令人震驚的，因?yàn)樗皇且环N聚合物，但通過分子排列，我們可以得到比玻璃纖維復(fù)合材料強(qiáng)很多的東西，它比聚醚醚酮(PEEK)的硬度和強(qiáng)度大約高10倍。

此外，結(jié)合3D打印塑形自由度，自組裝聚合物使工程師能夠明確地跟蹤物體中的應(yīng)力路徑，如加固孔洞。例如，據(jù)報(bào)道，使用自組裝3D打印聚合物的開孔強(qiáng)度約為370 MPa，其剛度為25-30 GPa，而原始各向同性材料的強(qiáng)度合剛度相對(duì)較低。該技術(shù)目前正被初創(chuàng)公司NematX AG (Zürich, Switzerland)用于工業(yè)、航空航天和醫(yī)療應(yīng)用的一系列功能部件的商業(yè)開發(fā)。

清華伯克利深圳學(xué)院(Berkeley, california, U.S.)也對(duì)AM進(jìn)行了類似的調(diào)查。該實(shí)驗(yàn)室使用石墨烯作為模型構(gòu)建塊，通過3D打印的模板定向組裝方法，成功地制作了多尺度結(jié)構(gòu)，具有跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)(從納米到厘米)的可定制特征。具體來說，采用數(shù)字光處理(DLP，一種基于還原聚合的3D打印技術(shù))在中尺度和宏觀尺度上定制結(jié)構(gòu)，并使用自組裝來定制結(jié)構(gòu)的納米和微米尺度結(jié)構(gòu)。這種精心的不同尺度的結(jié)構(gòu)控制產(chǎn)生了超低密度(≥0.08 mg cm-3)和超高剛度的材料。據(jù)說，這種方法不僅證明了控制具有高度復(fù)雜性的多尺度層次石墨烯結(jié)構(gòu)，而且可以應(yīng)用于其他聚合物或納米粒子膠體分散體系。

另一種方法是通過基于水的數(shù)字制造項(xiàng)目，由麻省理工學(xué)院(MIT, Cambridge, Mass)的媒介物質(zhì)小組開發(fā)。其應(yīng)用了一種機(jī)器人控制的多室擠壓系統(tǒng)來沉積生物材料，如從天然聚合物甲殼素中提取的殼聚糖，以創(chuàng)建具有各向異性特性、多功能和結(jié)構(gòu)自組裝潛力的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。描述的制造試驗(yàn)包括一個(gè)50厘米長的結(jié)構(gòu)，靈感來自蜻蜓的翅膀。

隨著對(duì)復(fù)合材料解決方案的需求增加，這些解決方案能夠更好地容忍損壞，包括由壓縮引起的失效機(jī)制，生物模仿成為一個(gè)越來越重要的靈感來源。自然界中的設(shè)計(jì)圖案--包括纖維狀、螺旋狀、梯度狀、分層狀、管狀、縫合狀和重疊狀--都有一個(gè)類似的損傷容忍機(jī)制。它們通過脆性材料之間的剪切來耗散能量；它們還提供裂紋擴(kuò)散、裂紋偏移、裂紋停止、拉出機(jī)制、摩擦、裂紋扭曲、塑性變形和裂紋鈍化。

根據(jù)布里斯托爾大學(xué)航空航天工程系先進(jìn)材料教授理查德-特拉斯克的說法，壓縮是復(fù)合材料的一個(gè)巨大的致命弱點(diǎn)。他的大部分工作都集中在吸收能量和提高損傷耐受性的方法上。他說，我們?cè)噲D弄清楚的是，是否有一種改變基體材料和/或纖維的方法，更類似于我們?cè)谧匀唤缈吹降那闆r。

布里斯托爾大學(xué)與倫敦帝國學(xué)院合作，通過英國工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）提供的620萬英鎊的項(xiàng)目資助，帶頭開展這項(xiàng)活動(dòng)，這是一個(gè)始于2019年的五年項(xiàng)目。NextCOMP正在通過對(duì)生物系統(tǒng)的研究來應(yīng)對(duì)復(fù)合材料在壓縮過程中的性能挑戰(zhàn)，既是為了解決當(dāng)前材料的實(shí)際局限性，也是對(duì)自然界中發(fā)現(xiàn)的定量分層設(shè)計(jì)的價(jià)值的展示。機(jī)械建模、樹脂系統(tǒng)、纖維平臺(tái)、層級(jí)和捆綁系統(tǒng)以及原位機(jī)械研究是項(xiàng)目合作伙伴將展示、觀察和提出研究結(jié)果的各個(gè)層面，涵蓋了從海洋和汽車到航空航天和保健部門的應(yīng)用。

另一個(gè)由英國EPSRC支持并由空客公司(法國)贊助的項(xiàng)目，研究了一種六邊形海洋海綿，即曲霉菌，為輕量化機(jī)身的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，可以針對(duì)特定的負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化。評(píng)估海綿的設(shè)計(jì)特征是否可以通過AM轉(zhuǎn)移到新的架構(gòu)中也被考慮了。哈佛大學(xué)John a . Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員在“受深海玻璃海綿啟發(fā)的機(jī)械堅(jiān)固格子”一文中指出，海綿的骨骼系統(tǒng)具有對(duì)角線增強(qiáng)的棋盤狀方形格狀結(jié)構(gòu)。這些網(wǎng)格能夠比傳統(tǒng)網(wǎng)格承受更高的性能負(fù)載而不屈曲，并提供20%的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加。

Trask和他的團(tuán)隊(duì)使用微計(jì)算機(jī)斷層掃描(μCT)在原位壓縮夾具中評(píng)估了骨骼晶格，描述了其層次結(jié)構(gòu)，并生成了三維表征，用于通過有限元(FE)模型測(cè)試，通過3D打印確定其復(fù)制能力。

海綿就像一系列融合在一起的獨(dú)立的股線。這意味著你可以允許鏈偏離到不同的加載路徑。當(dāng)你試圖讓它再次受到彎曲載荷或壓縮載荷時(shí)，晶格中的這些接觸點(diǎn)開始斷裂。每一次斷裂，它們最終會(huì)給你更多的靈活性來吸收越來越多的能量。

他指出，這些長度和直徑不同的纖維也有助于損傷吸收。海綿使用不同的長度和直徑來控制失敗的區(qū)域，因此可以將損傷限制在特定的區(qū)域，使海綿在攻擊中存活下來，并重建晶格。他補(bǔ)充說。

據(jù)Trask說，雖然創(chuàng)建的標(biāo)本表現(xiàn)出與曲霉E. aspergillum相似的起始和傳播破壞模式，但宏觀變形行為被改變?yōu)楦蛽p傷的準(zhǔn)脆性破壞模式。在他看來，還需要進(jìn)一步的調(diào)查才能真正弄清原因。此外，直接模仿材料結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特征被發(fā)現(xiàn)超出了目前AM的進(jìn)步。不過，他承認(rèn)研究結(jié)果顯示了相當(dāng)大的潛力。

就像海洋海綿中發(fā)現(xiàn)的珍珠層或晶格的重疊設(shè)計(jì)一樣，螺旋或螺旋特征是生物材料中最常見的結(jié)構(gòu)，在微觀和宏觀層面上都是如此。生物體已經(jīng)進(jìn)化到使用螺旋體從這種結(jié)構(gòu)提供的顯著性能改進(jìn)中受益。螺旋體工業(yè)公司(美國)通過一系列專利和對(duì)技術(shù)的廣泛知識(shí)和理解，正在探索和商業(yè)化這些螺旋結(jié)構(gòu)。

螺旋體的組成材料在每個(gè)層次上都有不同的組織，以提供獨(dú)特的輕量化和抗損傷結(jié)構(gòu)。螺旋體工業(yè)公司通過其對(duì)原材料、工藝和應(yīng)用的開發(fā)——包括碳、玻璃和天然纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP、GFRP、NFRP)——已經(jīng)證明其螺旋體技術(shù)能夠：

• 延遲災(zāi)難性破壞74%(使用薄層碳纖維增強(qiáng)塑料)。
• 將局部凹陷深度降低50%(在低速?zèng)_擊下使用航空航天級(jí)CFRP)。
• 增加40%的抗沖擊強(qiáng)度(CFRP, GFRP和亞麻FRP測(cè)量)。
• 使用航空航天級(jí)CFRP可使沖擊后殘余抗壓強(qiáng)度(CAI)提高20%，并降低缺口靈敏度(OHT)。
• 將碳纖維聚丙烯復(fù)合材料的沖擊疲勞提高40%。
• 通過展示由80%亞麻(按質(zhì)量計(jì)算)和20%玻璃制成的生物靈感混合螺旋結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)全玻璃纖維層壓板(100%)相似的穿孔能量，從而促進(jìn)天然纖維復(fù)合材料的更廣泛使用。

下一步是與眾多行業(yè)的生產(chǎn)商合作，為各種應(yīng)用的產(chǎn)品嵌入螺旋結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高成本的制造能力和擴(kuò)大規(guī)模。

螺旋體工業(yè)公司致力于開發(fā)更可持續(xù)的復(fù)合材料，這也得到了最近由美國能源部(DOE)與密歇根州立大學(xué)(東蘭辛)及其車輛復(fù)合材料中心合作授予的SBIR的支持，旨在使用仿生學(xué)和螺旋型技術(shù)來提高天然纖維復(fù)合材料的性能。

螺旋體工業(yè)公司首席執(zhí)行官Chad Wasilenkoff指出，使用螺旋體技術(shù)可以制造復(fù)合材料的幾種制造工藝，包括自動(dòng)纖維放置(AFP)、手工或自動(dòng)鋪層和纖維纏繞——該公司已使用后者使用玻璃、芳綸和碳纖維制造軸、管和壓力容器，所有這些都使用各種樹脂。使用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印螺旋設(shè)計(jì)也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室水平上進(jìn)行了探索，與增材制造技術(shù)非常匹配，但進(jìn)一步的評(píng)估仍在進(jìn)行中，尚未商業(yè)化。

對(duì)于需要處理干纖維和灌注過程的高容量、高速率的制造應(yīng)用，螺旋體公司還與領(lǐng)先的非卷曲織物(NCF)供應(yīng)商合作，開發(fā)可定制的螺旋體多軸NCF預(yù)制件，將螺旋技術(shù)部分嵌入到“單層”中，以提供一個(gè)具有成本效益的解決方案。螺旋體還與美國的一家一級(jí)汽車零部件制造商合作，該制造商將使用螺旋體多軸織物為預(yù)計(jì)將于2022年第四季度發(fā)布的電動(dòng)汽車車身下保護(hù)面板制作演示。

無論是防止風(fēng)葉片前緣的雨水侵蝕，增強(qiáng)汽車承重結(jié)構(gòu)(例如，電動(dòng)汽車電池外殼)，提高高性能體育用品和摩托車頭盔的結(jié)構(gòu)完整性和能量吸收，還是用于飛機(jī)螺旋槳和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料葉片的優(yōu)良抗穿孔性能，螺旋復(fù)合材料層合板都能夠優(yōu)于傳統(tǒng)解決方案。大量案例研究的亮點(diǎn)表明，螺旋體技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，并正在繼續(xù)釋放其顛覆性潛力。

雖然仿生復(fù)合材料的機(jī)械性能可能并不總是超過工程合成材料，但很明顯，以自然為靈感的復(fù)合材料在這個(gè)行業(yè)的未來有一個(gè)位置，即使更多的是靈感而不是復(fù)制。事實(shí)上，模仿是仿生學(xué)科的關(guān)鍵目標(biāo)，靈感已經(jīng)成為一種共同的趨勢(shì)。我們有比自然界更多的合成材料可以選擇，而且我們?cè)谝环N不同的加載機(jī)制下運(yùn)行。然而，當(dāng)我們從自然界借用結(jié)構(gòu)的概念時(shí)，我們期望它們也會(huì)以同樣的方式表現(xiàn)。即我們受到(自然)的啟發(fā)，但可以擴(kuò)展并通過其他想法向前發(fā)展。

仿生學(xué)絕不應(yīng)該以復(fù)制自然界中發(fā)現(xiàn)的形式、特征或系統(tǒng)為目標(biāo)。這通常是一種誤解，導(dǎo)致以錯(cuò)誤的方式使用仿生學(xué)。相反，仿生學(xué)應(yīng)該包括理解與自然界結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)相關(guān)的某些特征/行為及其功能之間的關(guān)系。這是我們從觀察自然中得到的最好的禮物。在這一點(diǎn)上，工程師必須理解如何應(yīng)用相同的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系來增強(qiáng)工程應(yīng)用。