原光聚合3D列印仿生功能納米複合材料，是什麼制造而成的？原來是來自自然界的生物。
前言：自然界中的生物由于其特殊的多尺度和多物質結構，而表現出獨特的生存政策，這些生物結構不僅等級分明，而且具有高度的靈活性，功能分工明确。
多尺度或多層結構使其在受到外部刺激時表現出優異的導熱效率和耗能，生物材料使其具有優異的機械、光學和液壓性能。
就像表面的打蛋器狀結構具有優異的超疏水性能，始終保持葉表面清潔的磚和砂漿多層結構使其在受到外力時能夠有效分散能量沖擊，顯示出出色的耗能能力。
由于聚合物中陣列納米填料的機械加強，帽貝齒作為自然界中最堅硬的結構，使其在海洋湍流中牢固地附着在岩壁上，仙人掌表面的微針即使在幹旱環境中也能有效地吸收空氣中的水分。
這些具有不同功能的結構都有助于提高自然生物的存活率，層次結構生物材料基質和有機以及無機填料，對于實作高功能結構都是必不可少的，這也為制造下一代高度內建的功能結構和材料提供了廣泛的機會。
帽貝是一種水生腹足類軟體動物，具有扁平的錐形貝殼，使用稱為齒舌的特殊器官從堅硬的海洋岩石中擷取食物 ，由一排排礦化牙齒組成，表現出最高的已知機械強度。
超過任何其他天然存在的材料，這種優異的機械強度源于生物礦化，這是一個循環過程，通過排列的氧化鐵礦物的分布來增強幾丁質蛋白基質，以産生獨特的分層結構。
這些基于礦物質的微觀結構，已經進化為帽貝提供必要的力量，以便在粗糙的海洋表面上吃草，使它們能夠從環境中提取營養而不會造成損害。
成熟帽貝牙的結構剛度最終會因反複喂食而下降，這促使形成新的生物礦化牙齒行，天然存在的納米複合材料是軟蛋白和排列的礦物相的組合。
主要由礦物納米棒的存在決定，其增強了其他弱生物材料的機械性能，是以帽貝齒為制造具有分層微觀結構，和卓越機械強度的仿生納米複合材料提供了理想的設計靈感。
為了重制在帽貝牙齒中觀察到的微觀結構，可以采用稱為磁場輔助還原光聚合的AM工藝，因為它可以靈活地控制聚合物樹脂中，鐵磁性納米填料的排列方向。
當将動态磁場施加到列印區域時，随機分布的磁性納米顆粒沿磁通線排列，随後團聚形成磁性微束。
磁場輔助3D列印工藝非常有利，因為它能夠在任何空間方向上快速排列磁性納米填料，而無需在磁鐵和納米複合材料之間直接接觸。
數字光投影儀使用微尺度掩模圖像，選擇性地交聯列印平台上的聚合物樹脂，進而限制結構中的磁性納米填料，這種對齊和光聚合過程以逐層方式連續重複，以制造所需的3D列印對象。
通過研究表明，帽貝牙齒表現出的優異機械性能，主要歸因于通過控制嵌入的鐵基礦物的排列來增強軟蛋白基質。
應通過管理聚合物樹脂内磁性納米填料的空間取向，來控制仿生分層微結構的各向異性機械強度。
為了實作高機械性能，通過針鐵礦納米顆粒在光固化聚合物樹脂中的均勻分布，來制備納米複合材料。
當針鐵礦納米顆粒最初分布在光固化樹脂中時，具有随機的空間取向，必須與原光聚合工藝耦合，以便通過受控的納米填料排列來增強正常的弱聚合物材料。
在生物體中發現的生物材料，已認證自然選擇過程進行了調整，以開發具有增強實體特性的獨特微觀結構。
在螳螂蝦中發現的複雜微觀結構，采用了扭曲的膠合闆結構，以增強其機械性能和柔韌性，以便使用其拳頭狀棍棒承受高沖擊力。
通過觀察機械強度，主要歸因于礦物相，這種卓越的機械強度，通過內建聚合物基質的生物礦化增強，緩解了與制造技術相關的挑戰。
以制造具有高度複雜幾何形狀，和出色機械性能的微觀結構，目前的制造方法具有一定的局限性，鑒于使用排列的礦物生物材料實作微觀結構的高度困難，必須解決這些局限性。
通過仿生增材制造技術的最新進展，這些限制可以通過使用3D列印方法嚴格控制微觀結構來緩解，而這些方法以前無法通過傳統制造方法實作。
對自然界中發現的高功能結構的仿生制造的影響，既重要又具有挑戰性，首先由于單一材料不足以使結構具有高功能，生物啟發聚合物和納米填料複合材料可以有效地賦予結構更好的力學性能、光學特性、導熱性、吸濕性變形和超疏水性。
其次，鑒于仿生結構和自然結構之間仍然存在一些細微的差異，并且這些差異對性能具有決定性作用，是以有必要在宏觀和微觀上複制自然結構，這将對提高性能發揮重要作用。
在制造方法層面，還原光聚合為制造多尺度複雜結構提供了有效的手段，磁場和電場的引入創造了增加結構複雜性的可能性，空間上排列在特定方向上的納米填料帶來了結構各向異性的力學、熱學、光學和變形表現。
智能仿生結構既要源于自然，又要回歸自然，實作綠色制造和可持續發展的目的。
結語：總體而言，在材料和結構層面解構并使用增材制造來再現自然結構，可以有效地促進仿生設計和制造，并為下一代高性能機械、熱、光學和水力結構的制造打開新的大門。
