原光聚合3D打印仿生功能纳米复合材料，是什么制造而成的？原来是来自自然界的生物。
前言：自然界中的生物由于其特殊的多尺度和多物质结构，而表现出独特的生存策略，这些生物结构不仅等级分明，而且具有高度的灵活性，功能分工明确。
多尺度或多层结构使其在受到外部刺激时表现出优异的导热效率和耗能，生物材料使其具有优异的机械、光学和液压性能。
就像表面的打蛋器状结构具有优异的超疏水性能，始终保持叶表面清洁的砖和砂浆多层结构使其在受到外力时能够有效分散能量冲击，显示出出色的耗能能力。
由于聚合物中阵列纳米填料的机械加固，帽贝齿作为自然界中最坚硬的结构，使其在海洋湍流中牢固地附着在岩壁上，仙人掌表面的微针即使在干旱环境中也能有效地吸收空气中的水分。
这些具有不同功能的结构都有助于提高自然生物的存活率，层次结构生物材料基质和有机以及无机填料，对于实现高功能结构都是必不可少的，这也为制造下一代高度集成的功能结构和材料提供了广泛的机会。
帽贝是一种水生腹足类软体动物，具有扁平的锥形贝壳，使用称为齿舌的特殊器官从坚硬的海洋岩石中获取食物 ，由一排排矿化牙齿组成，表现出最高的已知机械强度。
超过任何其他天然存在的材料，这种优异的机械强度源于生物矿化，这是一个循环过程，通过排列的氧化铁矿物的分布来增强几丁质蛋白基质，以产生独特的分层结构。
这些基于矿物质的微观结构，已经进化为帽贝提供必要的力量，以便在粗糙的海洋表面上吃草，使它们能够从环境中提取营养而不会造成损害。
成熟帽贝牙的结构刚度最终会因反复喂食而下降，这促使形成新的生物矿化牙齿行，天然存在的纳米复合材料是软蛋白和排列的矿物相的组合。
主要由矿物纳米棒的存在决定，其增强了其他弱生物材料的机械性能，因此帽贝齿为制造具有分层微观结构，和卓越机械强度的仿生纳米复合材料提供了理想的设计灵感。
为了重现在帽贝牙齿中观察到的微观结构，可以采用称为磁场辅助还原光聚合的AM工艺，因为它可以灵活地控制聚合物树脂中，铁磁性纳米填料的排列方向。
当将动态磁场施加到打印区域时，随机分布的磁性纳米颗粒沿磁通线排列，随后团聚形成磁性微束。
磁场辅助3D打印工艺非常有利，因为它能够在任何空间方向上快速排列磁性纳米填料，而无需在磁铁和纳米复合材料之间直接接触。
数字光投影仪使用微尺度掩模图像，选择性地交联打印平台上的聚合物树脂，从而限制结构中的磁性纳米填料，这种对齐和光聚合过程以逐层方式连续重复，以制造所需的3D打印对象。
通过研究表明，帽贝牙齿表现出的优异机械性能，主要归因于通过控制嵌入的铁基矿物的排列来增强软蛋白基质。
应通过管理聚合物树脂内磁性纳米填料的空间取向，来控制仿生分层微结构的各向异性机械强度。
为了实现高机械性能，通过针铁矿纳米颗粒在光固化聚合物树脂中的均匀分布，来制备纳米复合材料。
当针铁矿纳米颗粒最初分布在光固化树脂中时，具有随机的空间取向，必须与原光聚合工艺耦合，以便通过受控的纳米填料排列来增强正常的弱聚合物材料。
在生物体中发现的生物材料，已通过自然选择过程进行了调整，以开发具有增强物理特性的独特微观结构。
在螳螂虾中发现的复杂微观结构，采用了扭曲的胶合板结构，以增强其机械性能和柔韧性，以便使用其拳头状棍棒承受高冲击力。
通过观察机械强度，主要归因于矿物相，这种卓越的机械强度，通过集成聚合物基质的生物矿化增强，缓解了与制造技术相关的挑战。
以制造具有高度复杂几何形状，和出色机械性能的微观结构，目前的制造方法具有一定的局限性，鉴于使用排列的矿物生物材料实现微观结构的高度困难，必须解决这些局限性。
通过仿生增材制造技术的最新进展，这些限制可以通过使用3D打印方法严格控制微观结构来缓解，而这些方法以前无法通过传统制造方法实现。
对自然界中发现的高功能结构的仿生制造的影响，既重要又具有挑战性，首先由于单一材料不足以使结构具有高功能，生物启发聚合物和纳米填料复合材料可以有效地赋予结构更好的力学性能、光学特性、导热性、吸湿性变形和超疏水性。
其次，鉴于仿生结构和自然结构之间仍然存在一些细微的差异，并且这些差异对性能具有决定性作用，因此有必要在宏观和微观上复制自然结构，这将对提高性能发挥重要作用。
在制造方法层面，还原光聚合为制造多尺度复杂结构提供了有效的手段，磁场和电场的引入创造了增加结构复杂性的可能性，空间上排列在特定方向上的纳米填料带来了结构各向异性的力学、热学、光学和变形表现。
智能仿生结构既要源于自然，又要回归自然，实现绿色制造和可持续发展的目的。
结语：总体而言，在材料和结构层面解构并使用增材制造来再现自然结构，可以有效地促进仿生设计和制造，并为下一代高性能机械、热、光学和水力结构的制造打开新的大门。
