近年來，智能結構以其可控變形、自修復和傳感等功能特性而受到廣泛關注，在現代跨學科研究中發揮了關鍵作用，其在仿生學、軟體機器人、航天工程、柔性傳感和生物醫學等領域擁有廣闊的應用前景。隨著智能結構的材料多樣性和結構復雜性的提高，傳統制造方法難以滿足現階段需求，3D打印技術因其多材料兼容性、個性化定制和集成制造的能力而適用于制造各種智能結構，給智能結構的加工制造提供了一種經濟有效的方式。
     EFL團隊受主編約稿在Advanced Intelligent Systems期刊發表“Recent Progress in 3D Printing of Smart Structures: Classification, Challenges, and Trends”這一主題綜述，紀毓楊博士生為第一作者，欒叢叢博士和賀永教授為通訊作者。本綜述主要對各種智能結構（刺激響應型智能結構、自修復智能結構和傳感智能結構）的3D打印方法、所使用的材料及應用領域的最新進展進行了全面的概述，還系統的總結了智能結構的3D打印技術的需求、當前瓶頸和未來發展趨勢。
 

1. 智能結構中主流3D打印技術簡介

3D 打印已成為一種可以替代傳統制造方法的通用制造方法。在3D打印過程中，使用CAD軟件將對象虛擬地切成多個層、塊或斑點。此后，使用打印機將打印材料逐層或逐塊堆疊以獲得目標對象。如圖2所示，科學研究和自然生活總是息息相關，根據表面成型方法的不同，可以將智能結構增材制造中3種常用的3D打印工藝形象地看作是日常生活中土豆的3種加工方式的逆過程。（1）土豆切片與光固化打印類比，比如數字光處理 (DLP)、投影微立體光刻 (PμSL)、磁場輔助投影立體光刻 (M-PSL) 和微尺度連續光學打印 (μCOP)；（2）土豆切絲與擠出式打印類比，比如直接墨水書寫 (DIW) 和熔融沉積建模 (FDM)。（3）土豆切塊與噴墨式打印類比，比如PolyJet和基于氣溶膠噴射打印技術 (AJP)。
 

2.  智能結構的分類與總結

2.1 溫度響應智能結構

溫度響應智能結構可以隨溫度變化產生響應以實現預定功能。這種智能結構功能的實現一般通過以下幾種方式：（1）將多個熱敏度不同的層疊在一起，熱敏度不同的層可以使用不同的材料或具有不同厚度的相同材料來得到；（2）將形狀記憶材料嵌入較軟的基材中；（3）特定形狀的熱源加熱；（4）在制造期間或之后施加預應力。溫度響應智能結構在仿生變形結構、軟體機器人和非二進制致動器方面有廣泛的應用前景。

DIW和FDM是溫度響應智能結構增材制造中廣泛使用的方法。通過噴墨打印和 DLP 方法制造溫度響應智能結構也越來越受到關注。PμSL方法使制造具有高分辨率微結構的溫度響應智能結構成為可能。溫度響應智能材料主要包括水凝膠和形狀記憶聚合物，其中PNIPAAm是應用最廣泛的智能水凝膠。有限的響應速度、驅動力、結構穩定性和力學性能是制約溫度響應智能結構發展的關鍵因素。目前，能夠用于3D打印的高性能溫度敏感智能材料仍然較少。雖然已經有針對雙向驅動器所需的材料和制造工藝的相關研究，但大多數溫度響應智能結構只能實現單向驅動。為了進一步對變形行為進行定量分析并對印刷參數進行優化，已經進行了許多理論分析和仿真模擬，并仍需進一步研究。
 

2.2 電磁響應智能結構

電響應智能結構通常由電活性聚合物驅動，例如介電彈性體致動器 (DEA) 和電活性水凝膠 (EAH)，因為它們具有相當大的應變能力和能量密度。電響應智能結構通常通過分層或纏繞的方式將電致伸縮材料和非電活性材料結合起來，以實現彎曲和扭曲等基本動作，復雜的動作可以通過多個基本動作的組合來實現。
 

磁響應智能結構因其快速響應和非接觸控制特性而被廣泛應用。磁響應功能通常是通過將鐵磁顆粒摻雜到聚合物基質中來實現的，例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、UV 樹脂和水凝膠。為了在磁場中實現復雜的變形，可以通過將各部分沿不同方向磁化來調整磁力方向，并且可以調節磁性粒子的濃度來改變磁力大小。
 

DIW是應用最廣泛的電磁響應智能結構增材制造方法。對于磁響應智能結構而言，鐵粉、羥基鐵粉和Fe3O4粉末是常見的軟磁顆粒，NdFeB顆粒是常見的硬磁顆粒。值得注意的是，不同磁化方向的組件通常需要單獨磁化然后進行手動組裝，這是阻礙復雜磁響應智能結構小型化和制造效率提高的關鍵問題，磁場輔助3D打印方法提供了有效的解決方案。同時，盡管微機器人在血管狀管道中的運動控制已經實現，外部電磁控制裝置的控制策略和小型化需要進一步研究。

2.3 自修復智能結構
自修復智能結構可以自動或在外部刺激（如光或熱）的影響下修復材料中的損傷。因此，它們為結構壽命延長提供了一種簡單且低成本的方法。愈合效率和成功連續愈合循環的數量是表征此類智能結構自修復性能的兩個主要參數。自修復智能結構的建模方法主要包括使用含有可逆鍵的自修復材料和內部插入含有修復成分的空心血管網絡或膠囊。3D打印技術的引入使得復雜自愈結構（如復雜形狀和復雜的內部的血管網絡）的制造成為可能。

DIW 再次成為制造自修復智能結構最常用的方法。基于可逆化學鍵的自修復智能結構的愈合率幾乎可以達到100%，而大多數基于血管網絡的自修復智能結構的愈合率相對較低。有幾個問題需要進一步研究：（1）現有的自修復智能結構的自修復時間普遍較長，許多修復過程需要施加外部刺激進行觸發。尋找合適的修復劑來實現不同材料的自主快速愈合尤為重要。（2）探索能夠在低工作強度條件下實現自愈的智能結構對于提高生產效率至關重要。（3）血管網絡的結構極大地影響自愈性能。因此，為更科學的結構探索更為科學有效的血管結構設計方法顯得尤為重要。對此，提出了一種基于默里定律的仿生血管網絡設計方法。（4）目前的研究重點主要集中在機械性能的自愈性能。其他特性的恢復（如電氣特性）也需要進一步研究。

2.4 傳感智能結構

傳感智能結構可以感知在外部物理參數的變化，例如位移、壓力和濕度。傳感功能通常是通過將電子元件或壓電導電材料嵌入絕緣基質中來實現的。這種結構在諸如可穿戴電子傳感設備、軟機器人智能觸覺監測、關鍵部件實時監測等領域展現出廣泛的應用前景。

3D打印技術的應用為可穿戴柔性傳感器和機器人觸覺傳感系統的制造提供了一種簡單有效的方法。然而，目前大多數智能傳感結構只能進行定性分析，難以實現高精度的定量測量，線性度較差。因此，進一步的研究是必要的。
 

2.5 其他智能結構

針對前面分類中沒有提到的一些智能結構進行了補充和簡要綜述，包括一些刺激響應性智能結構，刺激類型涵蓋PH、光、聲波和離子濃度等，還對基于溶脹原理的智能結構、具有選擇透過性的智能結構和擁有變色功能的智能結構也進行了概述，大多數這些智能結構 3D 打印方法的研究仍處于起步階段。
 

3. 智能結構的3D打印技術中存在的挑戰
      3D打印因其多材料兼容性、個性化定制和集成制造的能力而適用于各種智能結構的制造。不同類型的智能結構需要不同的 3D 打印方法。在所有綜述的智能結構中，普遍采用 DIW、DLP 和 PμSL 打印方法。AJP 和 μCOP 方法的尺寸限制和高成本以及 M-PSL 方法的磁響應功能特異性限制了這些方法的普遍應用。3D 打印速度、分辨率和成本之間一直是一種此消彼長的權衡關系。因此，選擇合適的 3D 打印方法的關鍵是在這三者之間找到一種微妙的平衡關系。
 

4. 智能結構的3D打印技術未來的發展趨勢

（1）在材料方面，尋找新的可印刷高性能智能材料或改進現有可印刷材料的性能至關重要。通過摻雜功能因子或流變改性劑來為傳統基體材料提供新特性的是一個不錯的方法。例如，碳納米管可以與 PLA 混合以實現優異的導電性；羥基鐵粉可摻入水凝膠中以獲得優異的磁響應特性；PLAs 可以摻雜含有動態 Diels-Alder 功能的聚合物以實現優異的層間粘合性能。

（2）在智能結構功能方面，多功能結構的探索有望成為大勢所趨。目前，大多數智能結構只能執行單一功能。多功能智能結構的發展將提高其性能并擴大其應用范圍。例如，已經提出了具有自愈能力和受激變形能力的智能結構、整合刺激響應變形和電導功能的智能結構以及整合自我監測和自我修復功能的結構。此外，已經提出了能對多種刺激做出反應的智能結構，使同一個智能結構應用于多種場景成為可能。

（3）從制造的角度來看，新的 3D 打印方法和設備的開發值得進一步研究。適用于新型高性能智能材料的制造方法將大大促進對智能結構的研究。值得注意的是，已經提出了一種用于原位制造的 3D 打印方法，該方法可以在工作位置直接打印對象，從而提高制造效率并使在如月球等惡劣環境下的現場直接制造成為可能。另外，在開發新型3D打印設備時，安裝質量監控裝置可以在打印過程中實時監控和修正，從而提高打印精度，減少缺陷。

（4）在應用方面，現有的智能結構往往會出現形似神不似的問題。因此，在提出相關概念之后，需要在現實生活中找到實際的應用場景。這就要求智能結構的驅動力和位移能力應該增加，響應速度應該進一步提高。此外，智能結構的耐久性需要更多的研究。目前，大多數溫度響應材料不能承受高溫，智能結構中常用的一些材料（如水凝膠）在惡劣條件下無法有效發揮作用。并且，必須建立對各種智能結構的智能行為進行高精度定量分析的理論模型。對智能結構的跨尺度研究也應該開展研究，不但要關注智能結構的微細觀微結構對功能的影響，也要擁有宏觀大尺寸智能結構的打印能力。

文章來源：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000271

(責任編輯：admin)

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