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模仿骨骼的轻质3D打印材料
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。