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大自然如何激發(fā)用于飛機、建筑物和骨骼植入物的堅固、輕質(zhì)材料

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2022-04-26 14:20:44

大自然如何激發(fā)用于飛機、建筑物和骨骼植入物的堅固、輕質(zhì)材料普林斯頓大學(xué)設(shè)計用于模仿骨頭、木材和其他天然材料，多孔物體比傳統(tǒng)產(chǎn)品更輕，可以戰(zhàn)略性地插入結(jié)構(gòu)中，以在高需求區(qū)域提供更高的剛度。信用：保利諾等人來自普林斯頓研究實驗室的材料充滿了漏洞——但這是一件好事。設(shè)計用于模仿骨頭、木材和其他天然材料，多孔物體比傳統(tǒng)產(chǎn)品更輕，可以戰(zhàn)略性地插入結(jié)構(gòu)中，以在高需求區(qū)域提供更高的剛度。這些多孔結(jié)構(gòu)由普林斯頓大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)建，具有旋節(jié)線微結(jié)構(gòu)——特殊設(shè)計的孔網(wǎng)絡(luò)，可以調(diào)整以在宏觀尺度上實現(xiàn)優(yōu)化行為。在 3 月 16 日在線發(fā)表在《先進材料》雜志上的一項新研究中，該團隊結(jié)合了這些旋節(jié)微結(jié)構(gòu)的不同實現(xiàn)，設(shè)計和原型用于重建手術(shù)的面部植入物和用于飛機的堅硬、輕質(zhì)部件。

未參與這項研究的特倫托大學(xué)固體和結(jié)構(gòu)力學(xué)教授戴維德·比戈尼稱該結(jié)果為“突破”。他說：“作者找到了一種聰明的方法，可以讓不同建筑的區(qū)域之間連續(xù)過渡。這是仿生的終極概念，因為所有自然結(jié)構(gòu)都形成連續(xù)系統(tǒng)。這是自古以來就為人所知的事實——‘natura non facit saltus'——大自然不會跳躍。”

許多天然材料，包括骨頭、動物角、木頭和沙元骨架，都充滿了孔洞。空隙使材料變輕，在某些情況下，允許體液通過毛孔移動。在骨骼中，這些空間允許重塑過程，使骨骼或多或少地致密以響應(yīng)物理需求。制造具有相似特性的合成材料一直是工程師面臨的挑戰(zhàn)。

在這項新研究中，研究人員通過設(shè)計具有不同尺寸、形狀和方向的孔的微結(jié)構(gòu)來模仿這些天然材料。新對象被稱為建筑材料，它們具有基于材料和幾何關(guān)系的可定制性能。這些孔的形狀可以像球體（如沙元骨架中的那些）、鉆石（骨頭）、柱子（木頭）或扁豆（角）。研究人員可以通過改變形狀使材料在不同方向上具有剛度。他們通過改變孔的大小來控制材料的密度，并改變物體內(nèi)孔的方向以增加應(yīng)變區(qū)域的剛度。喬治亞理工學(xué)院的研究生、這項新研究的第一作者費爾南多·瓦斯康塞洛斯·達森霍拉說：“實際結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)共同作用以獲得卓越的性能。”

為了展示潛在用途，研究人員設(shè)計并 3D 打印了一種面部植入物，例如用于修復(fù)車禍造成的嚴(yán)重面部損傷的那種。目前，外科醫(yī)生使用塑料或鈦制造多孔植入物，允許骨骼通過孔再生，但這些植入物不具有與旋節(jié)結(jié)構(gòu)相同的可調(diào)性。研究人員將部分與圓柱狀和扁豆?fàn)羁紫嘟Y(jié)合，制造出一種足夠堅硬以承受咀嚼力的植入物，并具有合適大小的孔以促進骨骼生長和愈合。原型植入物由光聚合物樹脂制成，但它可以使用生物相容性材料進行 3D 打印，以供將來用于患者。

研究人員表示，該技術(shù)為使用多種不同類型的材料制造植入物打開了大門，因為幾何形狀和材料的結(jié)合使設(shè)計師能夠微調(diào)性能。該團隊結(jié)合了這些旋節(jié)微結(jié)構(gòu)的不同實現(xiàn)，設(shè)計和原型用于重建手術(shù)的面部植入物和用于飛機的堅硬、輕質(zhì)部件。信用：保利諾等人“更好的不是基礎(chǔ)材料。更好的是微觀特征，”喬治亞理工學(xué)院機械工程的合著者兼助理教授艾米麗桑德斯說。“理論上，我們可以用任何材料制造支架——最合適的是探索生物相容性材料。”

為了展示完全不同的用途，研究人員結(jié)合了三種類型的微結(jié)構(gòu)來構(gòu)建噴氣發(fā)動機支架——飛機的關(guān)鍵部件，它將發(fā)動機固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫⑶冶仨毤葓怨逃州p便。

“我們擁有一種非常強大的技術(shù)，它將材料架構(gòu)與不同規(guī)模的優(yōu)化相結(jié)合，并將其與增材制造相結(jié)合，”Margareta E. Augustine 工程學(xué)教授兼該項目的首席研究員 Glaucio Paulino 說。“從規(guī)模化的意義上說，它可以有廣泛的應(yīng)用，因此它可以應(yīng)用于納米和微觀技術(shù)，以及中尺度和宏觀尺度。”

材料成功的一個關(guān)鍵方面是在同一物體內(nèi)從一種微結(jié)構(gòu)無縫過渡到另一種微結(jié)構(gòu)。在不連接孔隙網(wǎng)絡(luò)的情況下在微結(jié)構(gòu)之間突然切換會導(dǎo)致材料沿接縫分裂。用旋節(jié)線微結(jié)構(gòu)制成的材料也不太可能有弱點，因為孔是隨機出現(xiàn)的，而不是規(guī)則的圖案。

“一個主要部分是弄清楚如何利用制造平臺并[計算出]這些建筑材料的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，然后將兩者聯(lián)系在一起，以便我們可以實際制造一些東西，”桑德斯說。

該團隊已經(jīng)在探索微結(jié)構(gòu)的其他用途。目前，該技術(shù)處于原型階段，但他們渴望更全面地測試材料的性能。“我有興趣了解這些建筑材料如何表現(xiàn)的基本問題，”桑德斯說。

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