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大自然如何激发用于飞机、建筑物和骨骼植入物的坚固、轻质材料

文章来源：贤集网更新时间：2022-04-26 14:20:44

大自然如何激发用于飞机、建筑物和骨骼植入物的坚固、轻质材料普林斯顿大学设计用于模仿骨头、木材和其他天然材料，多孔物体比传统产品更轻，可以战略性地插入结构中，以在高需求区域提供更高的刚度。信用：保利诺等人来自普林斯顿研究实验室的材料充满了漏洞——但这是一件好事。设计用于模仿骨头、木材和其他天然材料，多孔物体比传统产品更轻，可以战略性地插入结构中，以在高需求区域提供更高的刚度。这些多孔结构由普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员创建，具有旋节线微结构——特殊设计的孔网络，可以调整以在宏观尺度上实现优化行为。在 3 月 16 日在线发表在《先进材料》杂志上的一项新研究中，该团队结合了这些旋节微结构的不同实现，设计和原型用于重建手术的面部植入物和用于飞机的坚硬、轻质部件。

未参与这项研究的特伦托大学固体和结构力学教授戴维德·比戈尼称该结果为“突破”。他说：“作者找到了一种聪明的方法，可以让不同建筑的区域之间连续过渡。这是仿生的终极概念，因为所有自然结构都形成连续系统。这是自古以来就为人所知的事实——‘natura non facit saltus'——大自然不会跳跃。”

许多天然材料，包括骨头、动物角、木头和沙元骨架，都充满了孔洞。空隙使材料变轻，在某些情况下，允许体液通过毛孔移动。在骨骼中，这些空间允许重塑过程，使骨骼或多或少地致密以响应物理需求。制造具有相似特性的合成材料一直是工程师面临的挑战。

在这项新研究中，研究人员通过设计具有不同尺寸、形状和方向的孔的微结构来模仿这些天然材料。新对象被称为建筑材料，它们具有基于材料和几何关系的可定制性能。这些孔的形状可以像球体（如沙元骨架中的那些）、钻石（骨头）、柱子（木头）或扁豆（角）。研究人员可以通过改变形状使材料在不同方向上具有刚度。他们通过改变孔的大小来控制材料的密度，并改变物体内孔的方向以增加应变区域的刚度。乔治亚理工学院的研究生、这项新研究的第一作者费尔南多·瓦斯康塞洛斯·达森霍拉说：“实际结构和微观结构共同作用以获得卓越的性能。”

为了展示潜在用途，研究人员设计并 3D 打印了一种面部植入物，例如用于修复车祸造成的严重面部损伤的那种。目前，外科医生使用塑料或钛制造多孔植入物，允许骨骼通过孔再生，但这些植入物不具有与旋节结构相同的可调性。研究人员将部分与圆柱状和扁豆状孔相结合，制造出一种足够坚硬以承受咀嚼力的植入物，并具有合适大小的孔以促进骨骼生长和愈合。原型植入物由光聚合物树脂制成，但它可以使用生物相容性材料进行 3D 打印，以供将来用于患者。

研究人员表示，该技术为使用多种不同类型的材料制造植入物打开了大门，因为几何形状和材料的结合使设计师能够微调性能。该团队结合了这些旋节微结构的不同实现，设计和原型用于重建手术的面部植入物和用于飞机的坚硬、轻质部件。信用：保利诺等人“更好的不是基础材料。更好的是微观特征，”乔治亚理工学院机械工程的合著者兼助理教授艾米丽桑德斯说。“理论上，我们可以用任何材料制造支架——最合适的是探索生物相容性材料。”

为了展示完全不同的用途，研究人员结合了三种类型的微结构来构建喷气发动机支架——飞机的关键部件，它将发动机固定在适当的位置，并且必须既坚固又轻便。

“我们拥有一种非常强大的技术，它将材料架构与不同规模的优化相结合，并将其与增材制造相结合，”Margareta E. Augustine 工程学教授兼该项目的首席研究员 Glaucio Paulino 说。“从规?；囊庖迳纤?，它可以有广泛的应用，因此它可以应用于纳米和微观技术，以及中尺度和宏观尺度。”

材料成功的一个关键方面是在同一物体内从一种微结构无缝过渡到另一种微结构。在不连接孔隙网络的情况下在微结构之间突然切换会导致材料沿接缝分裂。用旋节线微结构制成的材料也不太可能有弱点，因为孔是随机出现的，而不是规则的图案。

“一个主要部分是弄清楚如何利用制造平台并[计算出]这些建筑材料的数学结构，然后将两者联系在一起，以便我们可以实际制造一些东西，”桑德斯说。

该团队已经在探索微结构的其他用途。目前，该技术处于原型阶段，但他们渴望更全面地测试材料的性能。“我有兴趣了解这些建筑材料如何表现的基本问题，”桑德斯说。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_509008.html
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