智能結(jié)構(gòu)的3D打�,。悍诸�,、挑戰(zhàn)和趨勢

近年來,，智能結(jié)構(gòu)以其可控變形,、自修復(fù)和傳感等功能特性而受到廣泛關(guān)注,，在現(xiàn)代跨學科研究中發(fā)揮了關(guān)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(yī)學等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景,。隨著智能結(jié)構(gòu)的材料多樣性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高，傳統(tǒng)制造方法難以滿足現(xiàn)階段需求,，3D打印技術(shù)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(jié)構(gòu)，給智能結(jié)構(gòu)的加工制造提供了一種經(jīng)濟有效的方式,。

EFL團隊受主編約稿在Advanced Intelligent Systems期刊發(fā)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(jié)構(gòu)（刺激響應(yīng)型智能結(jié)構(gòu),、自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)和傳感智能結(jié)構(gòu)）的3D打印方法、所使用的材料及應(yīng)用領(lǐng)域的最新進展進行了全面的概述,，還系統(tǒng)的總結(jié)了智能結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)的需求,、當前瓶頸和未來發(fā)展趨勢。

圖1 常見的三種智能結(jié)構(gòu)功能及本綜述的主要關(guān)注點

1. 智能結(jié)構(gòu)中主流3D打印技術(shù)簡介

3D 打印已成為一種可以替代傳統(tǒng)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(guān),，根據(jù)表面成型方法的不同,，可以將智能結(jié)構(gòu)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(shù)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(xù)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(shù) (AJP),。

圖2 3D打印原理與方法進行類比(類似切土豆的逆過程)

2. 智能結(jié)構(gòu)的分類與總結(jié)

2.1 溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)可以隨溫度變化產(chǎn)生響應(yīng)以實現(xiàn)預(yù)定功能。這種智能結(jié)構(gòu)功能的實現(xiàn)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(yù)應(yīng)力,。溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)在仿生變形結(jié)構(gòu)、軟體機器人和非二進制致動器方面有廣泛的應(yīng)用前景,。

DIW和FDM是溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)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(yīng)智能結(jié)構(gòu)也越來越受到關(guān)注。PμSL方法使制造具有高分辨率微結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)成為可能,。溫度響應(yīng)智能材料主要包括水凝膠和形狀記憶聚合物,，其中PNIPAAm是應(yīng)用最廣泛的智能水凝膠。有限的響應(yīng)速度,、驅(qū)動力,、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學性能是制約溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)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(jīng)有針對雙向驅(qū)動器所需的材料和制造工藝的相關(guān)研究，但大多數(shù)溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)單向驅(qū)動,。為了進一步對變形行為進行定量分析并對印刷參數(shù)進行優(yōu)化，已經(jīng)進行了許多理論分析和仿真模擬,，并仍需進一步研究,。

圖3 溫度響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

2.2 電磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)通常由電活性聚合物驅(qū)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(yīng)變能力和能量密度,。電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)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(jié)合起來,，以實現(xiàn)彎曲和扭曲等基本動作,，復(fù)雜的動作可以通過多個基本動作的組合來實現(xiàn)。

圖4 電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)因其快速響應(yīng)和非接觸控制特性而被廣泛應(yīng)用,。磁響應(yīng)功能通常是通過將鐵磁顆粒摻雜到聚合物基質(zhì)中來實現(xiàn)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(xiàn)復(fù)雜的變形，可以通過將各部分沿不同方向磁化來調(diào)整磁力方向,，并且可以調(diào)節(jié)磁性粒子的濃度來改變磁力大小,。

圖5 磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

DIW是應(yīng)用最廣泛的電磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)增材制造方法。對于磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)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(fù)雜磁響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)小型化和制造效率提高的關(guān)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(jīng)實現(xiàn),，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(fù)智能結(jié)構(gòu)

自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)可以自動或在外部刺激（如光或熱）的影響下修復(fù)材料中的損傷。因此,，它們?yōu)榻Y(jié)構(gòu)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(xù)愈合循環(huán)的數(shù)量是表征此類智能結(jié)構(gòu)自修復(fù)性能的兩個主要參數(shù)。自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的建模方法主要包括使用含有可逆鍵的自修復(fù)材料和內(nèi)部插入含有修復(fù)成分的空心血管網(wǎng)絡(luò)或膠囊,。3D打印技術(shù)的引入使得復(fù)雜自愈結(jié)構(gòu)（如復(fù)雜形狀和復(fù)雜的內(nèi)部的血管網(wǎng)絡(luò)）的制造成為可能,。

DIW 再次成為制造自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)最常用的方法�,；�于可逆化學鍵的自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的愈合率幾乎可以達到100%,，而大多數(shù)基于血管網(wǎng)絡(luò)的自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的愈合率相對較低。有幾個問題需要進一步研究：（1）現(xiàn)有的自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的自修復(fù)時間普遍較長,，許多修復(fù)過程需要施加外部刺激進行觸發(fā),。尋找合適的修復(fù)劑來實現(xiàn)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(xiàn)自愈的智能結(jié)構(gòu)對于提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要,。（3）血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)極大地影響自愈性能,。因此,，為更科學的結(jié)構(gòu)探索更為科學有效的血管結(jié)構(gòu)設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(fù)（如電氣特性）也需要進一步研究,。

圖6 自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)

2.4 傳感智能結(jié)構(gòu)

傳感智能結(jié)構(gòu)可以感知在外部物理參數(shù)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(dǎo)電材料嵌入絕緣基質(zhì)中來實現(xiàn)的,。這種結(jié)構(gòu)在諸如可穿戴電子傳感設(shè)備、軟機器人智能觸覺監(jiān)測,、關(guān)鍵部件實時監(jiān)測等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景,。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用為可穿戴柔性傳感器和機器人觸覺傳感系統(tǒng)的制造提供了一種簡單有效的方法。然而,，目前大多數(shù)智能傳感結(jié)構(gòu)只能進行定性分析,，難以實現(xiàn)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。

圖7 傳感智能結(jié)構(gòu)

2.5 其他智能結(jié)構(gòu)

針對前面分類中沒有提到的一些智能結(jié)構(gòu)進行了補充和簡要綜述,，包括一些刺激響應(yīng)性智能結(jié)構(gòu),，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(jié)構(gòu)、具有選擇透過性的智能結(jié)構(gòu)和擁有變色功能的智能結(jié)構(gòu)也進行了概述,，大多數(shù)這些智能結(jié)構(gòu) 3D 打印方法的研究仍處于起步階段,。

圖8 幾種其他智能結(jié)構(gòu)

3. 智能結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)中存在的挑戰(zhàn)

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(jié)構(gòu)的制造,。不同類型的智能結(jié)構(gòu)需要不同的 3D 打印方法,。在所有綜述的智能結(jié)構(gòu)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(yīng)功能特異性限制了這些方法的普遍應(yīng)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(quán)衡關(guān)系,。因此，選擇合適的 3D 打印方法的關(guān)鍵是在這三者之間找到一種微妙的平衡關(guān)系。

圖9 各種智能結(jié)構(gòu)中用到的3D打印方法總結(jié)

4. 智能結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)未來的發(fā)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(xiàn)有可印刷材料的性能至關(guān)重要,。通過摻雜功能因子或流變改性劑來為傳統(tǒng)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(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電性；羥基鐵粉可摻入水凝膠中以獲得優(yōu)異的磁響應(yīng)特性,；PLAs 可以摻雜含有動態(tài) Diels-Alder 功能的聚合物以實現(xiàn)優(yōu)異的層間粘合性能,。

（2）在智能結(jié)構(gòu)功能方面，多功能結(jié)構(gòu)的探索有望成為大勢所趨,。目前,，大多數(shù)智能結(jié)構(gòu)只能執(zhí)行單一功能。多功能智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展將提高其性能并擴大其應(yīng)用范圍,。例如,，已經(jīng)提出了具有自愈能力和受激變形能力的智能結(jié)構(gòu)、整合刺激響應(yīng)變形和電導(dǎo)功能的智能結(jié)構(gòu)以及整合自我監(jiān)測和自我修復(fù)功能的結(jié)構(gòu),。此外,，已經(jīng)提出了能對多種刺激做出反應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)，使同一個智能結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)備的開發(fā)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(jié)構(gòu)的研究,。值得注意的是,，已經(jīng)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(huán)境下的現(xiàn)場直接制造成為可能,。另外，在開發(fā)新型3D打印設(shè)備時,，安裝質(zhì)量監(jiān)控裝置可以在打印過程中實時監(jiān)控和修正,，從而提高打印精度，減少缺陷,。

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