目前，Paulino和团队正处于原型制作阶段，使用以液态光聚合物为基底的立体平版3D打印机打印结构。信用:坎德勒·霍布斯，佐治亚理工学院软体动物和虾是两种不太可能的海洋动物，它们在工程学中扮演着非常重要的角色。这两种动物的博物展示了自然特征，如骨骼和贝壳的结构，是如何被借用来提高工程结构和材料的性能，如桥梁和飞机。这种现象被称为仿生学，有助于推进结构拓扑研究，即模仿自然系统中发现的微型特征。在佐治亚理工学院和里约热内卢天主教大学(巴西)的研究人员最近发表的一篇论文中，概述了一种结构拓扑优化的新方法，该方法将设计和制造相结合，以创建新的微结构，其潜在应用范围从用于颅骨重建的增强面部植入物到将材料送入太空进行行星探索的改进方法。
该论文的合著者、佐治亚理工学院土木与环境工程学院的博士生艾米丽·桑德斯(Emily Sanders)表示:“对于传统的结构拓扑优化，我们使用算法来确定结构的理想布局——即最大化结构效率、所需材料资源更少的布局。“我们的新研究更进一步，引入了结构层次、微体系结构和空间变化的机械特性，以实现不同类型的功能，就像在乌贼和螳螂虾中观察到的那样。”
这两种动物的特性启发了设计层次分明、空间变化的微结构的新框架，并要求研究人员利用现有技术来创建三维印刷结构。
“在我们最近的工作中，我们开发了包括新算法和计算在内的技术，这些新算法和计算是分层微结构的推动者，”格劳西奥·保利尼奥说，他是雷蒙德·艾伦·琼斯的主席，也是佐治亚理工学院土木与环境工程学院的教授，该论文的合著者，也是美国国家工程学院的新成员。“然后，我们可以将这些信息输入三维打印机，并创建包含大量细节的结构。在研究了具有极高适应性的多孔层状墨鱼骨后，我们已经能够将其应用于新的结构和材料，如我们论文中所示的结构和材料。”
对于保利尼奥和他的团队来说，他希望这项新的研究将应用于他早期对癌症患者和那些面部严重受伤和骨质流失的患者进行颅骨重建的工作。
“现在，我们可以三维打印已经使用拓扑优化设计的颅面植入物，并为组织重新生长提供框架，”保利尼奥说。“理想情况下，当与我们最近开发的空间变化的微体系结构相结合时，植入物将更接近模拟人类骨骼的多孔性质，并促进骨骼本身在支架内的生长。随着骨骼的生长，支架会生物降解，如果一切顺利，最终支架会消失，患者会在正确的位置拥有新的骨骼。”
设计和制造
正如Sanders所解释的那样，本文从设计和制造两个方面研究了拓扑优化。第一个目标是设计一个最佳的宏观几何形状，同时在其中优化分布空间变化的微观几何形状，以满足性能目标。在这篇论文中，研究人员正在寻找体积有限的最坚硬的部分，很像螳螂虾的锤爪，他们在两个尺度上都实现了模拟自然的高度复杂性。
第二个目标与创建结构所需的制造相关。通过添加制造或三维打印，研究人员可以制造出具有复杂几何形状的结构。但是随着研究小组引入空间变化的微结构，印刷变得越来越困难。
佐治亚理工学院研究人员格劳西奥·保利尼奥和艾米丽·桑德斯是该论文的共同作者。信用:坎德勒霍布斯，佐治亚理工学院“更复杂的三维数据，我们将不得不发送到打印机是如此巨大，这是禁止的，”桑德斯说。“因此，我们必须找到一种新的方式将这些信息传递给打印机。现在，我们只传递二维信息，将微结构直接嵌入结构的二维切片中。最后，打印机将切片组合起来得到结构。效率要高得多。”
“艾米丽对制造业的所作所为关闭了这个循环，”保利尼奥说。“我们提供设计、数学和算法。我们将拓扑优化与宏观和微观层面的附加制造联系起来。”
未来的应用
在本文中，当考虑到结构拓扑优化的未来发展时，保利诺和桑德斯都看到了在生物材料中的应用，以及为太空探索设计的磁性。
对于保利尼奥在颅骨重建方面的持续工作，他设想工程、化学和生物学之间的跨学科合作，以开发医用生物相容性材料和架构。
“我们还没有达到目标，但这项工作是朝着正确方向迈出的一步，”保利尼奥说。“最终，我们将能够打印生物相容的材料。这项具有空间变化微体系结构的研究应该能够为生物材料应用提供最佳的设计和制造。”
关于空间探索，这项研究可能会影响具有功能性的合成结构和系统的创建，例如可以通过外加磁场按需驱动的磁性材料组件。
“这项工作的一个重要方面是，它打开了我们的设计空间，这样我们就可以拥有空间变化的属性，这使我们能够做以前做不到的事情，”桑德斯说。
保利尼奥继续解释说，随着太空旅行，每磅送入太空的材料都有巨大的成本，因此太空任务带来的材料数量和体积非常有限。
“我认为我们的制造业在太空中运作的方式是你在原地印刷，潜在地使用来自外星球本身的印刷材料，”保利尼奥说。“您可以将附加打印功能带到火星，并在到达火星时打印出具有所需属性的结构。你只提供你需要的东西，而不是带来你认为可能需要的一切。在太空中，你希望你所做的一切都得到优化。”
受动物及其在自然界中的作用的启发，保利尼奥和他的团队再次进化出拓扑优化，这一次是空间变化的分层结构的新设计和制造。很快，生物医学和太空探索的实际应用肯定会接踵而至。
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