模仿骨骼的轻质3D打印材料

张麻子

人体的骨骼和3D打印建筑有什么共同点？这两者的内部都有柱子和横梁，这决定了它们的使用寿命。现在，科学家们搞清楚了人类骨骼中的“梁”如何在人的一生中处理磨损，这一发现将会转化为3D打印轻质材料的发展，使这种材料可以在建筑物、飞机和其他结构中使用更长时间。

康奈尔大学、普渡大学和凯斯西储大学的一组研究人员发现，当他们模仿这种“梁”并使其厚度增加30%左右时，人造材料的寿命可能会延长100倍。

普渡大学莱尔斯土木工程学院的教授巴勃罗·扎瓦蒂耶里说道：“人体的骨骼就像建筑物一样，其内部有承担大部分负荷的柱子和连接这些柱子的横梁。我们可以从这种材料中学习，为建筑物和其他结构创造更坚固的3D打印材料。”

骨骼的耐久性来自于一种叫做骨小梁的海绵状结构，这种结构是由垂直板状支柱和水平杆状支柱组成的网络，它们相互连接，起到了柱子和梁的作用。骨小梁密度越高，骨骼对日常活动的适应能力就越强，但是疾病和年龄会影响这种密度。而在发表于《美国国家科学院院刊》的一项研究中，研究人员发现，尽管垂直支柱有助于骨骼的刚度和强度，但实际上是看似微不足道的水平支柱提高了骨骼的疲劳寿命。

康奈尔大学的克里斯托弗·赫尔南德斯的研究小组怀疑水平支撑结构对骨骼的耐久性很重要，这与骨小梁研究领域普遍持有的观点相反。生物医学工程学教授埃尔南德斯表示：“当人们老化时，他们首先失去这些水平支柱，这增加了骨骼在多重循环载荷下断裂的可能性，进一步研究这些结构可以为骨质疏松症患者提供更好的治疗方法。”

与此同时，3D打印的房屋和办公空间正在进入建筑业。尽管生产速度远远快于传统工艺，但这些打印出的房屋也需要足够坚固，才适于居住或是应对自然灾害。这个问题可以通过重新设计水泥本身的内部结构来解决，扎瓦蒂耶里的实验室一直在开发受自然启发的结构材料，提高它们的性能并使其更加实用。扎瓦蒂耶里的实验室致力于机械分析模拟，以确定水平支柱是否在人类骨骼中发挥比以前认为的更大的作用，然后他们设计了结构类似于骨小梁的3D打印聚合物。模拟结果表明，水平支柱确实是延长骨骼疲劳寿命的关键。

这项工作的合著者，普渡大学土木工程专业的博士生阿德维特·特里卡纳德表示：“当我们对循环载荷下的骨骼微观结构进行模拟时，我们能够看到应变会集中在这些水平支柱上，通过增加这些水平支柱的厚度，我们能减轻其应变。”。将循环载荷施加到3D打印聚合物上，证实了这一发现。水平支柱越厚，聚合物承受载荷的持续时间就越长。因为增厚支柱并没有显著增加聚合物的质量，研究人员相信这种设计对于创造更有弹性的轻质材料是很有用的。

本文来源： phys，译者：Lough

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