模仿骨骼的輕質(zhì)3D打印材料

張麻子

人體的骨骼和3D打印建筑有什么共同點(diǎn)？這兩者的內(nèi)部都有柱子和橫梁，這決定了它們的使用壽命。現(xiàn)在，科學(xué)家們搞清楚了人類骨骼中的“梁”如何在人的一生中處理磨損，這一發(fā)現(xiàn)將會(huì)轉(zhuǎn)化為3D打印輕質(zhì)材料的發(fā)展，使這種材料可以在建筑物、飛機(jī)和其他結(jié)構(gòu)中使用更長時(shí)間。

康奈爾大學(xué)、普渡大學(xué)和凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們模仿這種“梁”并使其厚度增加30%左右時(shí)，人造材料的壽命可能會(huì)延長100倍。

普渡大學(xué)萊爾斯土木工程學(xué)院的教授巴勃羅·扎瓦蒂耶里說道：“人體的骨骼就像建筑物一樣，其內(nèi)部有承擔(dān)大部分負(fù)荷的柱子和連接這些柱子的橫梁。我們可以從這種材料中學(xué)習(xí)，為建筑物和其他結(jié)構(gòu)創(chuàng)造更堅(jiān)固的3D打印材料。”

骨骼的耐久性來自于一種叫做骨小梁的海綿狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由垂直板狀支柱和水平桿狀支柱組成的網(wǎng)絡(luò)，它們相互連接，起到了柱子和梁的作用。骨小梁密度越高，骨骼對日常活動(dòng)的適應(yīng)能力就越強(qiáng)，但是疾病和年齡會(huì)影響這種密度。而在發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管垂直支柱有助于骨骼的剛度和強(qiáng)度，但實(shí)際上是看似微不足道的水平支柱提高了骨骼的疲勞壽命。

康奈爾大學(xué)的克里斯托弗·赫爾南德斯的研究小組懷疑水平支撐結(jié)構(gòu)對骨骼的耐久性很重要，這與骨小梁研究領(lǐng)域普遍持有的觀點(diǎn)相反。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授埃爾南德斯表示：“當(dāng)人們老化時(shí)，他們首先失去這些水平支柱，這增加了骨骼在多重循環(huán)載荷下斷裂的可能性，進(jìn)一步研究這些結(jié)構(gòu)可以為骨質(zhì)疏松癥患者提供更好的治療方法。”

與此同時(shí)，3D打印的房屋和辦公空間正在進(jìn)入建筑業(yè)。盡管生產(chǎn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)工藝，但這些打印出的房屋也需要足夠堅(jiān)固，才適于居住或是應(yīng)對自然災(zāi)害。這個(gè)問題可以通過重新設(shè)計(jì)水泥本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來解決，扎瓦蒂耶里的實(shí)驗(yàn)室一直在開發(fā)受自然啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料，提高它們的性能并使其更加實(shí)用。扎瓦蒂耶里的實(shí)驗(yàn)室致力于機(jī)械分析模擬，以確定水平支柱是否在人類骨骼中發(fā)揮比以前認(rèn)為的更大的作用，然后他們設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)類似于骨小梁的3D打印聚合物。模擬結(jié)果表明，水平支柱確實(shí)是延長骨骼疲勞壽命的關(guān)鍵。

這項(xiàng)工作的合著者，普渡大學(xué)土木工程專業(yè)的博士生阿德維特·特里卡納德表示：“當(dāng)我們對循環(huán)載荷下的骨骼微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬時(shí)，我們能夠看到應(yīng)變會(huì)集中在這些水平支柱上，通過增加這些水平支柱的厚度，我們能減輕其應(yīng)變。”。將循環(huán)載荷施加到3D打印聚合物上，證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。水平支柱越厚，聚合物承受載荷的持續(xù)時(shí)間就越長。因?yàn)樵龊裰е]有顯著增加聚合物的質(zhì)量，研究人員相信這種設(shè)計(jì)對于創(chuàng)造更有彈性的輕質(zhì)材料是很有用的。

本文來源： phys，譯者：Lough

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