自下而上的組裝，自上而下的塑造

塑造物質實驗室還采用了自下而上的方法，從基本的構建模塊開始，讓自然界告訴材料的結構。Masania一直專注于輕質和強度，研究了珍珠、骨頭、木頭和蜘蛛絲等材料的層次復雜性。

以骨頭為例，通常會有一種離子溶液被細胞捕獲，在一個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。在植物細胞中也是如此。在植物細胞中，你會看到纖維素合成酶復合物，這是一種產生纖維素的酶，纖維素也被一層一層地沉積下來。常見的是這種納米級別的自下而上的組裝與自上而下的細胞塑造相結合。

Masania和他的團隊利用AM將自下而上的自我組裝與自上而下的塑形相結合。與其他傳統復合材料制造方法相比，AM制造方法除了具有“復雜性免費”、交貨時間短、減少加工步驟和減少浪費等關鍵優勢外，就生物仿生而言，AM制造過程似乎也符合要求，因為大自然的建造策略往往是AM。

體現該方法的一個例子是利用基于擠壓的3D打印來克服聚合物的弱點和低剛度問題。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，并將這些微觀結構設計應用于大型結構。

在層次結構上，lcp是非常基本的分子，并在局部以各向同性的方向排列。它們有一個非常特殊的技巧，這是在80年代建立的，Masania解釋說。當你對各向同性的LCPs加熱，施加剪切或伸長應力時，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聚合物具有類似性能的材料，通過3D打印的分層結構和定向，提升機械性能。這是令人震驚的，因為它只是一種聚合物，但通過分子排列，我們可以得到比玻璃纖維復合材料強很多的東西，它比聚醚醚酮(PEEK)的硬度和強度大約高10倍。

此外，結合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力路徑，如加固孔洞。例如，據報道，使用自組裝3D打印聚合物的開孔強度約為370 MPa，其剛度為25-30 GPa，而原始各向同性材料的強度合剛度相對較低。該技術目前正被初創公司NematX AG (Zürich, Switzerland)用于工業、航空航天和醫療應用的一系列功能部件的商業開發。

清華伯克利深圳學院(Berkeley, california, U.S.)也對AM進行了類似的調查。該實驗室使用石墨烯作為模型構建塊，通過3D打印的模板定向組裝方法，成功地制作了多尺度結構，具有跨越七個數量級(從納米到厘米)的可定制特征。具體來說，采用數字光處理(DLP，一種基于還原聚合的3D打印技術)在中尺度和宏觀尺度上定制結構，并使用自組裝來定制結構的納米和微米尺度結構。這種精心的不同尺度的結構控制產生了超低密度(≥0.08 mg cm-3)和超高剛度的材料。據說，這種方法不僅證明了控制具有高度復雜性的多尺度層次石墨烯結構，而且可以應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字制造項目，由麻省理工學院(MIT, Cambridge, Mass)的媒介物質小組開發。其應用了一種機器人控制的多室擠壓系統來沉積生物材料，如從天然聚合物甲殼素中提取的殼聚糖，以創建具有各向異性特性、多功能和結構自組裝潛力的復雜結構。描述的制造試驗包括一個50厘米長的結構，靈感來自蜻蜓的翅膀。

隨著對復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制，生物模仿成為一個越來越重要的靈感來源。自然界中的設計圖案--包括纖維狀、螺旋狀、梯度狀、分層狀、管狀、縫合狀和重疊狀--都有一個類似的損傷容忍機制。它們通過脆性材料之間的剪切來耗散能量；它們還提供裂紋擴散、裂紋偏移、裂紋停止、拉出機制、摩擦、裂紋扭曲、塑性變形和裂紋鈍化。

根據布里斯托爾大學航空航天工程系先進材料教授理查德-特拉斯克的說法，壓縮是復合材料的一個巨大的致命弱點。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，我們試圖弄清楚的是，是否有一種改變基體材料和/或纖維的方法，更類似于我們在自然界看到的情況。

布里斯托爾大學與倫敦帝國學院合作，通過英國工程和物理科學研究委員會（EPSRC）提供的620萬英鎊的項目資助，帶頭開展這項活動，這是一個始于2019年的五年項目。NextCOMP正在通過對生物系統的研究來應對復合材料在壓縮過程中的性能挑戰，既是為了解決當前材料的實際局限性，也是對自然界中發現的定量分層設計的價值的展示。機械建模、樹脂系統、纖維平臺、層級和捆綁系統以及原位機械研究是項目合作伙伴將展示、觀察和提出研究結果的各個層面，涵蓋了從海洋和汽車到航空航天和保健部門的應用。

另一個由英國EPSRC支持并由空客公司(法國)贊助的項目，研究了一種六邊形海洋海綿，即曲霉菌，為輕量化機身的設計提供依據，可以針對特定的負載進行優化。評估海綿的設計特征是否可以通過AM轉移到新的架構中也被考慮了。哈佛大學John a . Paulson工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員在“受深海玻璃海綿啟發的機械堅固格子”一文中指出，海綿的骨骼系統具有對角線增強的棋盤狀方形格狀結構。這些網格能夠比傳統網格承受更高的性能負載而不屈曲，并提供20%的整體結構強度增加。

Trask和他的團隊使用微計算機斷層掃描(μCT)在原位壓縮夾具中評估了骨骼晶格，描述了其層次結構，并生成了三維表征，用于通過有限元(FE)模型測試，通過3D打印確定其復制能力。

海綿就像一系列融合在一起的獨立的股線。這意味著你可以允許鏈偏離到不同的加載路徑。當你試圖讓它再次受到彎曲載荷或壓縮載荷時，晶格中的這些接觸點開始斷裂。每一次斷裂，它們最終會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域，因此可以將損傷限制在特定的區域，使海綿在攻擊中存活下來，并重建晶格。他補充說。

據Trask說，雖然創建的標本表現出與曲霉E. aspergillum相似的起始和傳播破壞模式，但宏觀變形行為被改變為更耐損傷的準脆性破壞模式。在他看來，還需要進一步的調查才能真正弄清原因。此外，直接模仿材料結構和設計特征被發現超出了目前AM的進步。不過，他承認研究結果顯示了相當大的潛力。

就像海洋海綿中發現的珍珠層或晶格的重疊設計一樣，螺旋或螺旋特征是生物材料中最常見的結構，在微觀和宏觀層面上都是如此。生物體已經進化到使用螺旋體從這種結構提供的顯著性能改進中受益。螺旋體工業公司(美國)通過一系列專利和對技術的廣泛知識和理解，正在探索和商業化這些螺旋結構。

螺旋體的組成材料在每個層次上都有不同的組織，以提供獨特的輕量化和抗損傷結構。螺旋體工業公司通過其對原材料、工藝和應用的開發——包括碳、玻璃和天然纖維增強聚合物(CFRP、GFRP、NFRP)——已經證明其螺旋體技術能夠：

• 延遲災難性破壞74%(使用薄層碳纖維增強塑料)。
• 將局部凹陷深度降低50%(在低速沖擊下使用航空航天級CFRP)。
• 增加40%的抗沖擊強度(CFRP, GFRP和亞麻FRP測量)。
• 使用航空航天級CFRP可使沖擊后殘余抗壓強度(CAI)提高20%，并降低缺口靈敏度(OHT)。
• 將碳纖維聚丙烯復合材料的沖擊疲勞提高40%。
• 通過展示由80%亞麻(按質量計算)和20%玻璃制成的生物靈感混合螺旋結構，可以實現與傳統全玻璃纖維層壓板(100%)相似的穿孔能量，從而促進天然纖維復合材料的更廣泛使用。

下一步是與眾多行業的生產商合作，為各種應用的產品嵌入螺旋結構，以實現高成本的制造能力和擴大規模。

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

螺旋體工業公司首席執行官Chad Wasilenkoff指出，使用螺旋體技術可以制造復合材料的幾種制造工藝，包括自動纖維放置(AFP)、手工或自動鋪層和纖維纏繞——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。使用連續纖維增強復合材料的3D打印螺旋設計也已經在實驗室水平上進行了探索，與增材制造技術非常匹配，但進一步的評估仍在進行中，尚未商業化。

對于需要處理干纖維和灌注過程的高容量、高速率的制造應用，螺旋體公司還與領先的非卷曲織物(NCF)供應商合作，開發可定制的螺旋體多軸NCF預制件，將螺旋技術部分嵌入到“單層”中，以提供一個具有成本效益的解決方案。螺旋體還與美國的一家一級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計將于2022年第四季度發布的電動汽車車身下保護面板制作演示。

無論是防止風葉片前緣的雨水侵蝕，增強汽車承重結構(例如，電動汽車電池外殼)，提高高性能體育用品和摩托車頭盔的結構完整性和能量吸收，還是用于飛機螺旋槳和噴氣發動機的復合材料葉片的優良抗穿孔性能，螺旋復合材料層合板都能夠優于傳統解決方案。大量案例研究的亮點表明，螺旋體技術的應用范圍非常廣泛，并正在繼續釋放其顛覆性潛力。

雖然仿生復合材料的機械性能可能并不總是超過工程合成材料，但很明顯，以自然為靈感的復合材料在這個行業的未來有一個位置，即使更多的是靈感而不是復制。事實上，模仿是仿生學科的關鍵目標，靈感已經成為一種共同的趨勢。我們有比自然界更多的合成材料可以選擇，而且我們在一種不同的加載機制下運行。然而，當我們從自然界借用結構的概念時，我們期望它們也會以同樣的方式表現。即我們受到(自然)的啟發，但可以擴展并通過其他想法向前發展。

仿生學絕不應該以復制自然界中發現的形式、特征或系統為目標。這通常是一種誤解，導致以錯誤的方式使用仿生學。相反，仿生學應該包括理解與自然界結構/系統相關的某些特征/行為及其功能之間的關系。這是我們從觀察自然中得到的最好的禮物。在這一點上，工程師必須理解如何應用相同的結構-功能關系來增強工程應用。