CSs是一種很有前途的用于高孔隙率結(jié)構(gòu)的輕量且堅(jiān)固的組件。目前，CSs的兩個(gè)主要**類(lèi)別是規(guī)則細(xì)胞結(jié)構(gòu)（RCS）和不規(guī)則細(xì)胞結(jié)構(gòu)（ICS）。RCS通常表現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)和支柱的周期性排列，被**稱(chēng)為晶格結(jié)構(gòu)。生物CSs是典型的ICSs，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

人工植入物的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能類(lèi)似于骨結(jié)構(gòu)（圖1（a）-（c）），以避免“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，該效應(yīng)主要由人工植入物和骨之間的彈性模量差異引起。由于“應(yīng)力屏蔽”，應(yīng)力無(wú)法在種植體和骨之間有效傳遞。骨細(xì)胞沒(méi)有受到足夠的應(yīng)力刺激，會(huì)死亡并被吸收，從而導(dǎo)致人工植入物松動(dòng)或斷裂。來(lái)自胼胝體屬、藍(lán)藻屬和卵泡膜的灰蝶翅膀鱗片的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出陀螺狀納米結(jié)構(gòu)特征（圖1（d）-（f））。

 

圖1 不同類(lèi)型的仿生細(xì)胞結(jié)構(gòu)：（a–c）受骨啟發(fā)的Voronoi支架；（d–f）受蝴蝶（Lycaenid）翅膀微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)；（g–i）靈感來(lái)源于楓香果序的輕質(zhì)抗壓細(xì)胞結(jié)構(gòu)；（j–l）梯度管狀結(jié)構(gòu)靈感來(lái)自挪威云杉的橫截面結(jié)構(gòu)。

如圖1（g）所示，楓香果實(shí)（通常稱(chēng)為中國(guó)臺(tái)灣膠）由木質(zhì)化骨架組成（圖2（h）-（i）），這使果實(shí)能夠表現(xiàn)出**的能量吸收效率、充足的生長(zhǎng)空間和優(yōu)異的機(jī)械性能。然而，這種類(lèi)型的CS不能通過(guò)重復(fù)排列形成大規(guī)模的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，只能以單元的形式用于工程應(yīng)用。挪威云杉（圖1（j））可以在北極生存，并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐寒性能，這主要?dú)w因于其莖的中空和梯度微觀結(jié)構(gòu)（圖1（k））。挪威云杉啟發(fā)的梯度CS（圖1（l））具有承重和隔熱性能。應(yīng)用LPBF制備梯度碳納米管，并測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，從結(jié)構(gòu)頂部到中心具有較大梯度的梯度CS表現(xiàn)出**的隔熱性能。

2. 平板結(jié)構(gòu)

生物體的外部保護(hù)結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為板狀結(jié)構(gòu)，幾個(gè)單獨(dú)的板狀結(jié)構(gòu)重疊形成盔甲，提供保護(hù)和靈活性。激光增材制造處理的仿生板結(jié)構(gòu)具有曲面的特點(diǎn)，可能用于汽車(chē)、防護(hù)裝甲和航空航天領(lǐng)域。

觀察到螳螂蝦telson截面的關(guān)鍵正弦?guī)缀涡螤睿▓D2（a））。我們?cè)O(shè)計(jì)了雙向波紋板（DCP）結(jié)構(gòu)，靈感來(lái)自螳螂蝦。進(jìn)行壓縮模擬以?xún)?yōu)化DCP結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（波長(zhǎng)λ和振幅A）。通過(guò)LPBF制造DCP結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證模擬結(jié)果（圖2（b））。結(jié)果表明，λ對(duì)力學(xué)性能的影響大于振幅A。研究了DCP結(jié)構(gòu)的三種典型變形模式（即全折疊、過(guò)渡和整體屈曲模式）。此外，基于仿生DCP結(jié)構(gòu)，通過(guò)LPBF設(shè)計(jì)并制造了一種新型疊加正弦波（SSW）結(jié)構(gòu)。研究了能量吸收特性、變形模式和斷裂機(jī)制，結(jié)果表明，與大多數(shù)報(bào)道的能量吸收結(jié)構(gòu)相比，SSW構(gòu)件具有更高的壓碎力效率（CFE），達(dá)到73.06%。使用Ti6Al4V通過(guò)LPBF產(chǎn)生仿生夾層結(jié)構(gòu)（圖2（d））。

 

圖2 具有平板特征的仿生結(jié)構(gòu)：（a）螳螂蝦telson橫截面的波紋特征；（b） LPBF制造的雙向波紋面板組件靈感來(lái)自螳螂蝦的telson；（c）鞘翅的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)；（d） LPBF處理的elytra啟發(fā)結(jié)構(gòu)組件；（e，f）海賊骨啟發(fā)的多層S形墻結(jié)構(gòu)。

與CSs的LPBF過(guò)程相比，在板結(jié)構(gòu)的LPBF過(guò)程中，必須優(yōu)化建造方向，并在預(yù)處理軟件中合理添加支撐結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榘褰Y(jié)構(gòu)由許多懸垂面組成。此外，由于激光AM過(guò)程中存在較大的熱梯度和較高的冷卻速率，在制造薄壁板結(jié)構(gòu)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和變形。**激光參數(shù)，如功率、掃描速度和掃描策略，可以有效降低殘余應(yīng)力和變形。此外，可以進(jìn)行熱處理等后處理來(lái)緩解殘余應(yīng)力。

3. 桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)是一種長(zhǎng)桁架交錯(cuò)連接的結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)因其穩(wěn)定性高、重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星、飛機(jī)、建筑等工程領(lǐng)域有著**的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，提出并制造了具有更復(fù)雜配置的桁架結(jié)構(gòu)。

 

圖3 具有桁架特征的仿生結(jié)構(gòu)：（a–e）LPBF制造的格子結(jié)構(gòu)，靈感來(lái)自甲蟲(chóng)前翼的圓柱管；（f–i）LPBF制造的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靈感來(lái)自蜘蛛絲的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；（j–l）三維打印晶格，靈感來(lái)自海綿的對(duì)角增強(qiáng)策略。

甲蟲(chóng)的前翅（圖3（a））不僅可以保護(hù)其身體，還可以提高其飛行能力。圖3（b）顯示了甲蟲(chóng)前翼的圓柱管微觀結(jié)構(gòu)。雙曲面的仿生形狀可以從甲蟲(chóng)前翼的微觀結(jié)構(gòu)中追溯（圖3（c））。在用旋轉(zhuǎn)桁架替換雙曲面后，獲得了仿生雙曲面桁架結(jié)構(gòu)，并使用LPBF制造（圖3（d）、（e））。在壓縮試驗(yàn)期間，應(yīng)力集中從水平支柱的交點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)角支柱的交點(diǎn)，從而導(dǎo)致仿生雙曲面桁架結(jié)構(gòu)的高能量吸收能力（3.45 J）。另一種典型的桁架結(jié)構(gòu)是受水蜘蛛潛水鐘啟發(fā)的網(wǎng)殼（圖3（f）-（i））。曲霉Eupletella aspergillum的骨骼系統(tǒng)也被稱(chēng)為維納斯花籃，表現(xiàn)出明顯的機(jī)械魯棒性（圖3（j））。從曲霉菌的骨骼系統(tǒng)設(shè)計(jì)了方形晶格結(jié)構(gòu)（圖3（k）），并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究（圖3（l））。與傳統(tǒng)排列的晶格結(jié)構(gòu)相比，基于生物結(jié)構(gòu)排列的桁架晶格結(jié)構(gòu)明顯提高了力學(xué)性能。在本研究中，證明了在不添加材料的情況下，可以明顯提高結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能。