Nature重磅：自然秩序再造！3D打印+机器学习实现无序结构调控

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刚刚发布的Nature Comminications文章：

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https://www.nature.com/articles/s41467-024-47831-2DOI: 10.1038/s41467-024-47831-2

科研团队：UIUC和北大的全华班阵容

导语：大自然的结构智慧

在日常生活中，我们随处可见“周期性结构”的身影。

最简单的例子就是砖墙—一块块大小形状相同的砖头，按照固定的方式堆砌而成，每隔一定距离就会重复之前的排列方式。

然而，大自然鲜少按照这种"呆板"的方式来构建结构。

从骨头到木质，从贝壳到羽毛，天然材料的内部往往呈现出非周期性非规则特征，结构单元的形状、尺寸、排列方式看似无序，随机但实则蕴含着深刻的进化智慧。

木头的非周期非规则内部结构

它们通过巧妙调控材料的空间分布，实现了轻质高强、抗冲耐磨等多重功能。这启发我们反思：

在设计工程结构时，是否也可以借鉴自然界的这股"无序之力"？

若在设计新型材料和结构时，也引入非均质、非对称的要素，或许才能充分发挥材料的潜力，创造出更轻、更强、更智能的高性能结构。

3D打印技术为这种结构设计提供了有力工具用来验证和测试构想。

研究核心成果：仿生设计，机器学习并模拟，3D打印验证

近年来，仿生设计与3D打印技术的结合日益受到关注。

然而，如何在跨尺度范围内实现非均质结构的优化分布，并利用3D打印技术高效制造，仍面临诸多挑战。

针对这一难题，伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校Zhang Xiaojia教授课题组开展了开创性探索。

他们创新性地提出了一种仿生设计与3D打印相结合的多孔材料优化方法，实现了跨尺度结构与力学性能的同步调控。

研究者首先定义了一系列具有代表性的基本结构单元，如四面体、八面体等。

在此基础上，他们开发了一套机器学习驱动的计算设计框架，可实现结构单元在宏观范围内的优化分布。

通过调节各单元的尺寸、方向和组合方式，该框架能够对材料的力学性能进行精准调控，如控制局部应力分布、程序化弹性模量等。

为验证方法的可行性，研究者以医用植入支架为例，设计并3D打印了一系列仿生多孔结构。

a展示了几种天然非规则材料，如木材、贝壳、骨头、蜘蛛丝、龟壳和鸟类羽毛，这些材料在自然界中具有特殊的功能性。b展示了材料属性优化，它决定了材料的局部属性，使得整体材料在宏观和微观层面上都能实现目标应力分布。c展示了虚拟生长模拟，它利用不同频率组合生成无序的微结构，通过机器学习模型将这些频率组合映射到相应的材料属性，最终实现应力调节。d-f展示了为骨科股骨修复生成并优化的非规则架构材料，强调其能够精准实现目标应力分布，以促进骨骼再生。g展示了使用3D打印技术制造出的样品，验证了优化材料在实际应用中的可行性。

研究过程

团队采用了计算设计与实验验证相结合的研究方法。他们收集了常见多面体结构的力学性能数据，并进行数据清洗和特征标注，构建机器学习训练集。

下图展示了生成非规则架构材料的详细计算框架，包括材料数据库创建、机器学习模型训练、宏观拓扑优化和虚拟生长模拟器应用。

a展示了材料数据库的创建过程，包括基础构建单元、频率组合和生成的微结构。b展示了机器学习模型，用于根据输入的频率组合预测材料属性。c展示了宏观拓扑优化，通过有限元分析（FEA）模拟应力分布，并通过优化设计变量实现目标应力分布。d展示了虚拟生长模拟器，根据优化设计变量生成无序微结构的非规则架构材料，实现应力调控功能。

文章中算法的代码在Github上开放：https://github.com/jiayingqi/Heterogeneous-Virtual-Growth

在此基础上，建立了结构参数与力学性能间的非线性映射关系。

随后，以结构单元的空间分布为设计变量，以应力均匀性、比刚度等为优化目标，通过遗传算法获得了一系列满足设计需求的最优拓扑方案。

下图展示了生成的非规则架构材料在不同几何区域内实现机械应力分布调控的过程和效果。

a展示了设计域、边界条件和三种不同的应力控制区域（矩形、正方形和环形）。b展示了优化后的非规则架构材料，这些材料由随机且优化分布的微结构组成。

c展示了材料属性的空间分布，如弹性模量的变化。

d展示了精确的应力调控效果，即在不同区域内实现目标应力分布。

e展示了应力收敛研究，表明随着微结构数量的增加，应力控制效果更准确且一致。

f-g展示了实验和数值模拟的位移场对比，验证了优化材料在实际应用中的应力调控效果。

研究者还对优化结果进行了系统的实验评价。

下图展示了通过密度拓扑优化和局部微结构频率组合优化生成的轻量化多功能材料，能够在不同负载情况下实现应力放大和反转。

a展示设计域、边界条件和应力控制区域，以及两个不同负载情况下应力调控目标。b-c展示了优化材料在两种负载情况下实现的应力放大和应力反转效果。d-e展示了有限元分析（FEA）模拟的位移场，验证了优化材料的应力调控效果。f-g展示了实验中测得的位移场，与数值模拟结果对比，显示了良好的调控效果。h展示了优化材料的虚拟生长过程，说明了基本构建单元的随机且优化的生长方式。i展示了3D打印制造的物理样品，验证了生成材料的可制造性和功能性。

最终通过模拟骨修复实验表明，优化设计的支架能够显著改善骨缺损部位的应力分布，同时诱导成骨细胞定向迁移，新生骨矿化度和力学强度较传统支架高出数倍。

下图展示了非规则架构材料在骨科股骨修复应用潜力，通过精确的应力调控促进骨骼再生。

a展示了健康股骨如何有效传递力并维持相对均匀的压应力分布。b展示了股骨骨折后应力集中在裂缝尖端，增加了进一步骨折的风险。c对比了传统修复方法和新方法，传统方法可能导致应力屏蔽，而新方法通过剪切应力刺激骨骼再生。d展示了简化的股骨修复模型及其位移加载，目标是控制剪切应力以促进组织再生。e展示了优化生成的非规则架构材料的虚拟生长过程。f展示了应力分布的示意图和模拟图，验证了应力调控效果。g展示了数值模拟和3D打印的物理样品对比，证明了材料的可制造性和实际应用潜力。

研究成果开启医疗3D打印新思路

AM易道认为，本研究的核心价值在于首次实现了将非周期仿生结构引入医疗植入物设计，并且对于结构性能可以精准调控。

这一原创性成果首先为3D打印个性化医疗器械设计制造提供了全新思路。

在骨科领域，中老年骨质疏松、骨折、关节炎等问题日益突出，患者对植入物的功能性需求也愈发多样化。

定制化设计不仅能够匹配患者解剖结构，还可针对骨密度、代谢状况等因素进行材料结构优化，在满足临床需求的同时最大限度降低并发症风险。

在药物递送方面，结构可控的仿生支架还可作为智能载体，实现药物释放的精准调控。

AM易道相信，随着研究的不断深入，这一技术有望在更广泛的个性化医疗领域崭露头角。

不仅仅是医疗，类自然无序结构精准调控的巨大潜力

从更宏观的视角来看，此项研究彰显了新材料设计发展的广阔前景。

非规则的仿生结构设计及精准调控理念不仅可应用于生物医学工程，还能拓展至航空航天、机器人、汽车制造等高端制造领域。

传统的蜂窝、泡沫材料或将被轻质高强的仿生无序多孔结构所取代，成为众多工业部件的"梦幻材料"。这为高性能构件的轻量化设计提供了新的突破口。

建筑领域同样可从仿生学中汲取灵感。

大自然经亿万年演化形成的错综复杂的空间桁架，有望为新型建筑带来新思路。这些具备优异力学性能的仿生结构，不仅能提升建筑的安全性、舒适性，还有利于实现节材减排的可持续发展目标。

当工程师们习惯于打破对结构对称性、周期性的执念，转而拥抱看似杂乱无章却蕴含无限智慧的非均质结构时，他们拿到了一把新的未来之钥。

而3D打印作为紧密匹配非均质结构制造需求的唯一制造技术，必将在这场变革中扮演关键角色。

结语：Nature文章之后的凝思

从本质上讲，3D打印让科学家、工程师们运用数字化工具，将头脑中天马行空的创意幻化为切实可行的实物。

而仿生学，尤其是非规则、非周期性的自然结构，则为创造提供了崭新的视角—向大自然学习，从亿万年演化中汲取设计灵感，方能打破传统桎梏，创造出无与伦比的非凡结构。

这篇在《自然·通讯》上发表的这项原创性成果，恰恰彰显了仿生学与3D打印强强联合的巨大潜力。

文章以跨尺度、非均质结构的构建为目标，以机器学习和拓扑优化为手段，精准调控了人工材料的宏微观力学性能，使之同时兼具天然结构的高效和人工结构的可控。

更重要的是，他们以植入支架为样板，将个性化医疗从概念验证推进到动物实验，为后续研究和商业转化切入点指明了方向。

也许我们会发现，那些看似无序、怪诞的结构，恰恰暗合了深藏于自然法则中的"隐秩序"。

而这，只能通过3D打印再现。