多孔物体旨在模仿骨骼、木材和其他自然材料，比传统产品更轻，可以有策略地插入结构中，以在高需求区域提供更高的刚度。致谢:来自普林斯顿研究实验室的材料充满了漏洞——但这是一件好事。这种多孔物体模仿骨骼、木材和其他自然材料设计，比传统产品更轻，可以有策略地插入结构中，以在高需求区域提供更高的刚度。这些多孔结构由普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员创建，具有旋节微结构——特殊设计的孔网络，可以调整以实现宏观上的优化行为。在3月16日在线发表在《先进材料》杂志上的一项新研究中，该团队结合了这些旋节微结构的不同实现，以设计和原型制作用于重建手术的面部植入物和飞机的坚硬轻质部件。
特伦托大学固体和结构力学教授大卫·比戈尼没有参与这项研究，他称这项结果是一个“突破”他说，“作者发现了一种聪明的方法，允许不同架构的区域之间连续过渡。这是仿生的终极概念，因为所有的自然结构都形成了连续的系统。这是一个自古以来就知道的事实——“自然不会跳跃。”
许多自然材料，包括骨头、动物角、木头和沙美元骨架，都布满了孔洞。空白的空间使材料变轻，在某些情况下，允许体液通过孔隙流动。在骨骼中，这些空间允许重塑过程，使骨骼根据身体需求或多或少地变得致密。对工程师来说，创造具有类似特性的合成材料是一项挑战。
在新的研究中，研究人员通过设计具有不同大小、形状和方向的孔的微结构来模仿这些天然材料。新对象被称为建筑材料，它具有基于材料和几何关系的可定制性能。这些洞可以是球形的(就像沙美元骨架中的那些)，钻石形的(骨头)，圆柱形的(木头)，或者扁豆形的(角)。研究人员可以通过改变形状来赋予材料不同方向的硬度。他们通过改变孔洞的大小来控制材料的密度，并改变物体内部孔洞的方向，以增加受力区域的刚度。
佐治亚理工学院的研究生、这项新研究的第一作者费尔南多·赛洛斯·达·森霍拉说:“你可以将实际结构和微观结构结合起来，以获得更好的性能。”
为了展示潜在的用途，研究人员设计并3D打印了一种面部植入物，如用于修复车祸造成的重大面部损伤的那种。目前，外科医生使用塑料或钛来制造多孔植入物，允许骨通过孔再生，但这些植入物不具有与旋节结构相同的可调性。研究人员将具有圆柱形和扁豆形孔的部分结合起来，创造出一种植入物，这种植入物足够坚硬，可以承受咀嚼的力量，并具有合适大小的孔，以促进骨骼生长和愈合。原型植入物由光聚合物树脂制成，但它可以使用生物相容性材料进行3D打印，供未来在患者体内使用。
研究人员表示，这项技术为用许多不同类型的材料制造植入物打开了大门，因为几何形状和材料的结合允许设计师微调性能。
该团队将这些旋节微结构的不同实现方式结合起来，设计并制作了用于重建手术的面部植入物和用于飞机的坚硬轻质部件的原型。鸣谢:保利诺等人“并不是底料更好。佐治亚理工学院机械工程助理教授、合著者艾米丽·桑德斯说。“理论上，我们可以用任何材料制作支架——最合适的是探索生物相容性材料。”
为了展示一种完全不同的用途，研究人员结合了三种类型的微结构来构建喷气发动机支架——飞机的关键部件，它将发动机固定在适当的位置，必须既坚固又轻便。
“我们有一项非常强大的技术，它将材料结构与不同规模的优化相结合，并与增材制造相集成，”Margareta E. Augustine工程学教授兼该项目的首席研究员Glaucio Paulino说。“它可以有广泛的应用范围，因为它可以扩展，所以它可以应用于纳米和微米技术，以及中观和宏观尺度。”
材料成功的一个关键方面是在同一物体内从一种类型的微观结构到另一种类型的无缝转换。微结构之间的突然转换而没有连接孔隙网络会导致材料沿接缝裂开。由旋节微结构制成的材料也不太可能有弱点，因为孔随机出现，而不是以规则的图案出现。
桑德斯说:“主要部分是弄清楚如何利用制造平台，并从数学上[计算出]这些建筑材料的结构，然后将两者联系起来，这样我们就可以实际制造一些东西。”
该团队已经在探索这种微结构的其他用途。目前，这项技术处于原型阶段，但他们渴望更全面地测试材料的属性。“我有兴趣了解这些建筑材料如何表现的基本问题，”桑德斯说。
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