CSs是一種很有前途的用于高孔隙率結(jié)構(gòu)的輕量且堅固的組件。目前，CSs的兩個主要**類別是規(guī)則細胞結(jié)構(gòu)（RCS）和不規(guī)則細胞結(jié)構(gòu)（ICS）。RCS通常表現(xiàn)出節(jié)點和支柱的周期性排列，被**稱為晶格結(jié)構(gòu)。生物CSs是典型的ICSs，具有獨特的優(yōu)勢。

人工植入物的設計應盡可能類似于骨結(jié)構(gòu)（圖1（a）-（c）），以避免“應力屏蔽”效應，該效應主要由人工植入物和骨之間的彈性模量差異引起。由于“應力屏蔽”，應力無法在種植體和骨之間有效傳遞。骨細胞沒有受到足夠的應力刺激，會死亡并被吸收，從而導致人工植入物松動或斷裂。來自胼胝體屬、藍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 不同類型的仿生細胞結(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）靈感來源于楓香果序的輕質(zhì)抗壓細胞結(jié)構(gòu)；（j–l）梯度管狀結(jié)構(gòu)靈感來自挪威云杉的橫截面結(jié)構(gòu)。

如圖1（g）所示，楓香果實（通常稱為中國臺灣膠）由木質(zhì)化骨架組成（圖2（h）-（i）），這使果實能夠表現(xiàn)出**的能量吸收效率、充足的生長空間和優(yōu)異的機械性能。然而，這種類型的CS不能通過重復排列形成大規(guī)模的細胞結(jié)構(gòu)，只能以單元的形式用于工程應用。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，這主要歸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。應用LPBF制備梯度碳納米管，并測量其導熱系數(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)

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

觀察到螳螂蝦telson截面的關鍵正弦?guī)缀涡螤睿▓D2（a））。我們設計了雙向波紋板（DCP）結(jié)構(gòu)，靈感來自螳螂蝦。進行壓縮模擬以優(yōu)化DCP結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（波長λ和振幅A）。通過LPBF制造DCP結(jié)構(gòu)，以驗證模擬結(jié)果（圖2（b））。結(jié)果表明，λ對力學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、過渡和整體屈曲模式）。此外，基于仿生DCP結(jié)構(gòu)，通過LPBF設計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、變形模式和斷裂機制，結(jié)果表明，與大多數(shù)報道的能量吸收結(jié)構(gòu)相比，SSW構(gòu)件具有更高的壓碎力效率（CFE），達到73.06%。使用Ti6Al4V通過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過程相比，在板結(jié)構(gòu)的LPBF過程中，必須優(yōu)化建造方向，并在預處理軟件中合理添加支撐結(jié)構(gòu)。這是因為板結(jié)構(gòu)由許多懸垂面組成。此外，由于激光AM過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，可能會發(fā)生熱應力、殘余應力和變形。**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力和變形。此外，可以進行熱處理等后處理來緩解殘余應力。

3. 桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)是一種長桁架交錯連接的結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)因其穩(wěn)定性高、重量輕、強度高等優(yōu)點，在衛(wèi)星、飛機、建筑等工程領域有著**的應用。近年來，隨著激光增材制造技術的發(fā)展，提出并制造了具有更復雜配置的桁架結(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)，靈感來自甲蟲前翼的圓柱管；（f–i）LPBF制造的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靈感來自蜘蛛絲的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；（j–l）三維打印晶格，靈感來自海綿的對角增強策略。

甲蟲的前翅（圖3（a））不僅可以保護其身體，還可以提高其飛行能力。圖3（b）顯示了甲蟲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））。在壓縮試驗期間，應力集中從水平支柱的交點轉(zhuǎn)移到對角支柱的交點，從而導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)也被稱為維納斯花籃，表現(xiàn)出明顯的機械魯棒性（圖3（j））。從曲霉菌的骨骼系統(tǒng)設計了方形晶格結(jié)構(gòu)（圖3（k）），并對其力學性能進行了實驗和數(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。