積層造形バイオニック構造の機械的特性最適化と機能設計に関する研究の進歩

出典: Journal of Composite Materials。2024年、第9号著者: Li Jiayu、Fu Yutong、Li Yuanqing、他。付加製造バイオニック構造の機械的特性最適化と機能設計に関する研究の進展[J]。Journal of Composite Materials、2024年、41(9): 4435-4456。doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.004

バイオニック構造は、従来の構造や材料の欠陥をある程度克服し、高い性能と多様な機能を実現します。付加製造（3Dプリント）技術により、複雑な構造の成形が可能になり、優れた機械的特性とより多様な機能を備えたバイオニック構造を作成できます。積層造形技術の継続的な発展に伴い、積層造形技術とバイオニック構造設計の組み合わせがますます注目を集めています。同時に、積層造形されたバイオニック構造は優れた機械的特性と機能を備えており、航空宇宙、鉄道輸送、機械産業、生物医学工学などの分野で注目を集めています。本論文では、主に機械的特性と機能の最適化に焦点を当て、近年の 3D プリントバイオニック構造の研究の進歩をまとめています。最適化された機械的特性には、主にエネルギー吸収、高強度、高剛性などが含まれ、機能はセンシング、駆動、医療などに関連しています。最後に、本論文では、積層造形によるバイオニック構造の利点、既存の研究の限界、および将来の発展についてまとめ、展望します。

バイオニック構造は、自然界の動物や植物の巧妙な構造にヒントを得たもので、通常は優れた機械的特性を示します。同時に、これらの構造は、生命機能を維持するための動物や植物の自然な設計にもヒントを得ており、さまざまな機能特性を発揮することができます[1]。バイオニック構造は、その優れた機械的特性と強力な機能特性により、航空宇宙、新エネルギー、鉄道輸送、さらには医療など幅広い分野で応用されています。

さまざまな特性や機能を実現するために、さまざまな生物学的構造を生体模倣的に設計することができます。一部の生物構造は、高強度や高靭性などの優れた機械的特性を持っています [1]。これらの天然バイオマテリアルの優れた機械的特性はその階層構造に由来することが証明されています [2]。たとえば、骨は7レベルの階層構造の複数のメカニズムにより高い強度と靭性を発揮しますが [3-6]、クモの糸の高い引張強度と大きな延性は、その複雑な階層構造に起因します [7-8]。これにより、機械的特性に敏感な用途で自然に有利になり、最適化された機械的特性を持つバイオニック構造が登場しました。これらのバイオニック構造は、自然の植物や動物から学び、管状、サンドイッチ、ハニカム構造を設計に取り入れることで、エネルギー吸収、強度、剛性の向上を実現しています。同時に、これらの天然バイオマテリアルの多段階の特性により、積層造形技術を使用して、自然構造に近い複雑で洗練されたバイオニック構成を準備することは、従来の準備方法よりも適切な選択肢です。さらに、材料や構造に多機能性、高性能、インテリジェントな応答などの特性を持たせるために、バイオニックデザインを使用して材料成分を改良し、内部構造を改良することができます。現在、航空宇宙、機械工学、生物医学の分野におけるより重要な機能的バイオニック構造は、主にセンシング、運転、治癒などに関連しています。センシングバイオニック構造は、多くの場合、高感度、選択性、安定性、信頼性などの特性を備えており、複雑な自然環境や生理学的環境のモニタリングを実現できます[9]。バイオニック構造の駆動は、主にさまざまな生物の動きと構造を模倣することによって駆動機能を実現し、異なるバイオニックモードは異なる出力メカニズムを提供します。駆動機能を備えたこれらのバイオニック構造は、高い出力、高速、高解像度などの特性があるため、広く使用されています[10]。医療機能を備えたバイオニック構造は、自然生物の構造、機能、行動からインスピレーションを得て、生物学的原理と材料科学および工学を組み合わせることで、生体材料、薬物送達、組織工学、医療機器、バイオニック義肢などのさまざまな分野で革新を促進します[11]。本稿では、図1[12-25]に示した機械的・機能的特性についてまとめ、積層造形（3Dプリンティング）バイオニック構造とその機能の現在の研究開発について紹介する。現在、積層造形は複雑な構造の製造、設計の自由度、廃棄物の削減、コストの節約など、その優れた利点から、注目の研究テーマとなっている[26]。高効率と高い柔軟性に加え、鉄道輸送、航空宇宙、バイオメディカルなど多くの分野で広く使用されています[27-29]。さらに、バイオニックデザインにおける積層造形の応用は、長い間非常に深く研究されてきました。積層造形は、多くの複雑な生物学的構造の成形に適したソリューションです。その柔軟な成形方法は、多くの複雑な生物学的構造を印刷できるだけでなく、異なる材料の組み合わせに基づいてさまざまな性能を持つバイオニック構造を印刷することもできます[26]。しかし、材料押し出し[30]や材料噴射[31]などの一般的な積層造形方法のうち、積層造形の2つのメカニズムには、表面品質が悪い、印刷速度が遅い、印刷サイズが制限されるなどの問題があり、これも積層造形で解決しなければならない困難な問題です[32]。

図1
バイオニクスは古くて新しい分野ですが、従来の処理方法の制約により、多くのバイオニック構造は従来の技術では製造が困難です。積層造形技術は近年急速に発展している先進的な製造技術であり、材料を層状に積み重ねて形成するプロセスは自然界の成長モードと非常に一致しており、複雑な構造の部品を製造することができ、バイオニクスの発展を促進している[33]。しかし、現在のバイオニック構造の性能は積層造形における成形欠陥の影響を受ける可能性があるため、積層造形技術とバイオニック構造設計をより適切に組み合わせるためのさらなる努力が必要です。要約すると、積層造形技術の発展に伴い、バイオニック構造設計との組み合わせは将来ますます成熟し、積層造形バイオニック構造はより多くの分野で重要な役割を果たすようになるでしょう。

この記事では、パフォーマンスの最適化と機能性の観点から、積層造形によるバイオニック構造の実現に焦点を当てます。この記事の最初のセクションでは、主にバイオニック構造の機械的特性の最適化について紹介します。2 番目のセクションでは、形態バイオニクス、構造バイオニクス、機能バイオニクスなど、さまざまなタイプのバイオニック構造に関する国内外の学者の研究の進捗状況をまとめます。

1 3Dプリントバイオニック構造の機械的特性の最適化

自然界の多くの動物や植物は、長い進化の過程で、複雑な外部衝撃荷重に耐え、自身の完全性を守り、生存のニーズを満たすために、独自の軽量で高強度の構造を形成してきました。生物学的な軽量かつ高強度の構造の優位性により、科学研究者やエンジニアは構造バイオニクス手法を使用して構造の機械的特性を最適化するようになりました。例えば、自然界の竹、てんとう虫、腱などの生物学的構造を参考にすることで、軽量かつ高強度のバイオニック構造を開発することができます。積層造形技術の活発な発展により、複雑なバイオニック構造を実現することができます。 3D プリントされたバイオニック構造は、エネルギー吸収、強度、剛性などの機械的特性に関して従来の構造を最適化できます。国内外の学者たちは、バイオニクスと付加製造技術を通じて、バイオニックエネルギー吸収構造、高強度構造、高剛性構造を設計し、準備してきました。これらの構造は、強度と剛性に厳しい要件がある航空宇宙、自動車、スポーツ用品などの業界で大きな応用が期待されています。本論文でまとめたバイオニック構造の機械的特性の最適化を表1に示す[12-17, 34-48]。

表1
1.1 エネルギー吸収

バイオニックエネルギー吸収構造は、自然界の生物の特性を活用し、その構造と力のメカニズムを模倣することで、エネルギーを吸収および分散する機能を実現します。国内外の学者たちは、自然界の管状構造、発泡構造、サンドイッチ構造などにヒントを得て、エネルギー吸収特性が強い複雑な構造を設計しました。これは積層造形技術を使用して製造され、航空宇宙、自動車、スポーツ用品の分野で広く使用されています。

1.1.1 管状構造

薄肉管状構造は大きな変形能力と安定した変形モードを備えており、多孔質の内部構造により強力なエネルギー吸収能力も備えています。管状構造は、マクロレベルとミクロレベルの両方の生物構造に存在します。たとえば、肉眼で見ると竹の幹は円筒形であることが多く、節間と節でつながっています。甲虫の前翅と腱の内部微細構造は棒状の構造をしています。これらの動物や植物の自然な管状構造は、衝撃に対する強い耐性と、強力なエネルギー吸収特性を備えています。多くの学者がこれらの管状構造にインスピレーションを受け、付加製造技術を使用してバイオニック管状構造の迅速な製造を実現し、それによってバイオニック構造のエネルギー吸収特性を最適化しました。

ゾウら[12]は、竹の維管束の勾配分布と、維管束と薄壁細胞（マトリックス組織とも呼ばれる）の有機的な組み合わせが、竹の優れた機械的特性を維持する主な理由であると分析しました。彼らは竹の内部構造に着想を得て、1つのバイオニックノードと3つのバイオニックインナーチューブで構成された薄壁のエネルギー吸収性と耐衝撃性構造を設計しました（図2（a））。衝撃試験において、この薄肉構造の比吸収エネルギー（SEA）は 35.03 J/g です。 Huら[13]は、竹の維管束微細構造の特徴を模倣するために、中央の円管を他の6つの六角形に配置された円管に接続したバイオニックハニカム管状入れ子構造（BHTNS）を提案した（図2（b））。軸方向衝撃試験では、BHTNS は優れたエネルギー吸収性能を示し、最大比吸収エネルギーは 51.7 J/g で、従来の金属ハニカム構造 (35 J/g) や新しい自己相似規則二股ハニカム (最大 42 J/g) よりも高くなっています。

図2
テントウムシの鞘翅の内部微細構造には、三角形、長方形、六角形、円形など、さまざまな形の小さな独立した薄壁構造が多数存在します。これらの独立した薄壁構造の中心には、中空の円筒形の管もあります。この二重管の薄壁構造は、テントウムシの羽と体を損傷から保護します。そこで、Xiangら[34]は、さまざまな多角形断面で構成されたさまざまな円筒形チューブを導入して、テントウムシの前翅の特徴を模倣した新しいバイオニック二重管薄壁構造（バイオニック二重管薄壁構造、BBTS）を設計しました（図2（c））。軸方向の動的衝撃荷重下では、内壁の厚さが 1.6 mm ～ 2.0 mm の場合に構造が最良の衝突性能を発揮します。さらに、内壁の厚さが 2.0 mm の場合、円形および八角形の BBTS はより優れたエネルギー吸収特性を示し、最適化された BBTS 構造により、元のバイオニック構造と比較してエネルギー吸収能力が 10% 向上します。

腱の断面には7つの階層構造があり、そのスケールはナノメートル、マイクロメートル、ミリメートルに及びます。コラーゲン分子が凝集して縦方向と横方向に原繊維を形成します。これらの原繊維は異なる階層構造に密に配置され、腱の強度と靭性を制御します。本質的にこれらはすべて一方向構造ですが、異なる次数の構造の組み合わせにより、腱に強力な機械的特性が与えられます。そこで、TsangとRaza[35]は、この特徴に基づいて、積層造形技術を使用して製造できる腱のような管状の層状チューブを設計しました（図2（d））。階層構造を管状構造と入れ子にすると、2次層状チューブと3次層状チューブのピーク総エネルギーは、1次チューブと比較してそれぞれ75％と89％減少することがわかりました。したがって、この階層構造を導入すると、階層構造のエネルギー吸収能力が大幅に向上します。これらのバイオニック薄壁管状構造は、従来の管状構造に比べてエネルギー吸収特性が大幅に向上しています。管状構造だけでなく、フォーム構造も理想的なバイオニックエネルギー吸収構造です。

1.1.2 フォーム構造

フォーム構造は、典型的な多孔質軽量構造です。発泡構造体に外力が作用した場合、発泡支持部の変形と内部空間の圧縮により外部荷重を効果的に分散し、衝撃や圧縮などの外力が他の部分に伝わる可能性を低減します。したがって、フォーム構造は、質量を大幅に増加させることなくエネルギー吸収機能を提供できる理想的なエネルギー吸収材料です。高性能発泡構造は、国内外の航空宇宙、輸送などの分野で荷重支持構造として使用されています。

図3
ヘチマスポンジはマクロ孔とミクロ孔の階層的細胞構造を持ち、マクロ孔の周りの硬い内面層がその強度を大幅に向上させています。この階層的生物細胞構造をシミュレートするために、AnとFan[36]は薄壁炭素繊維強化ポリマーチューブをアルミニウムフォームに埋め込み、ヘチマスポンジに似た階層的フォーム構造を構築しました（図3(a)）。この構造の炭素繊維強化ポリマーチューブは、積層造形法を使用して製造できます。一軸圧縮試験では、アルミニウムのみで作られたフォームシリンダーと比較して、フォームの密度に応じて、カーボンファイバーチューブが埋め込まれていないフォームシリンダーと比較して、SEA エネルギー吸収容量が 40.0% から 73.0% に向上しました。さらに、レンコンは学者に発泡構造設計のための新しい材料も提供します。レンコンは互いに平行な長い円筒状の孔を持つ微細構造を持っています。田根ら[37]はこのユニークな多孔質構造を参考に、連続ゾーン溶融積層造形技術を用いて円筒状の空洞多孔質構造を作製しました（図3(b)）。キャビティ内の円筒状の微細構造は硬化方向に沿って整列しており、動的圧縮下では、構造が広範囲のプラトー応力領域（最大 300 MPa、45% 広い）を持つことが判明し、等方性細孔を持つフォーム構造よりも 6 倍のエネルギーを吸収できます。上記の 2 つの自然構造は比較的柔らかいものですが、自然界には比較的硬い泡構造もいくつか存在します。ハコガメの甲羅は、層状の骨殻と内部の独立気泡骨ネットワークからなるサンドイッチ複合構造です。骨層は高密度で、発泡層は気孔密度が大きく、密度が低いです。この構造的特徴により、内部の生物学的挙動を維持しながら、耐衝撃性が極めて高くなります。これにヒントを得て、Rheeら[38]は、積層造形法で作製でき、ハコガメの甲羅層構造に似たアルミニウムフォーム構造をいくつか設計した（図3(c)）。彼らは、生体模倣フォーム構造のSEAが他の天然マクロポーラスフォーム構造と比較して10％～30％増加することを発見した。グレープフルーツの皮が柔軟なフォーム形状の場合、固体と中空の2つの部分で構成されます。固体部分は熱を分散させて表面温度を下げるために使用され、中空部分は水を蓄えてグレープフルーツの皮に新鮮な水分を提供します。この構造特性により、軽量という利点を維持しながら、高いエネルギー吸収性を実現できます。そこで、張ら[39]はグレープフルーツの皮の遮蔽保護にヒントを得て、金属3Dプリント技術を用いてグレープフルーツの皮に似たバイオニック多孔質構造を設計した（図3(d)）。この構造は放熱機能だけでなく、高いエネルギー吸収能力（SEA 13.2 J/g）も備えており、ほとんどの格子状または多孔質金属フォームメタマテリアルよりも優れており、エネルギー吸収が最適化されている。

1.1.3 サンドイッチ構造

サンドイッチ構造は、一般的に柔らかい内層と2つの硬い外層で構成されており、この構造は偶発的な衝突を受けたときに塑性変形によって衝撃エネルギーを吸収できるため、優れた衝撃エネルギー吸収能力を備えています。

図4
自然界では、シャコの趾行骨は最大 1500 N の衝撃力に耐えることができ、壊滅的な破損は発生しません。シャコの趾行骨は厚いブロック要素と薄い衝撃層で構成されています。厚いブロック要素は、正弦波配置の非常に整然としたヘリンボーンパターンで構成されています。この配置により、亀裂伝播経路の長さが長くなり、エネルギー散逸能力が大幅に向上し、強力なエネルギー吸収特性を備えています。この構造を参考に、ヤンら[40]は、シャコの殻を模倣し、2つの異なる波形方向を使用して構造のエネルギー吸収能力を高める、新しい軽量バイオニックダブルサイン波形（DCS）サンドイッチ構造（図4（a））を設計しました。この構造に対して準静的均一圧縮試験を実施した結果、従来の正弦波波形コアサンドイッチ構造と比較して、バイオニック二重正弦波波形（DCS）サンドイッチ構造の比吸収エネルギーSEAは、従来の正弦波波形コアサンドイッチ構造の1.7倍であることが示されました。これにより、付加製造を使用してエネルギー吸収構造を準備するための新しい設計アイデアと方法が提供されます。

Leeら[41]は透過型電子顕微鏡を用いてキツツキの上嘴を観察し、その上嘴は緻密なケラチン粒子を含む多孔質のハニカム構造であることを発見した（図4(b)）。しかし、伝統的なハニカム構造とは異なり、キツツキのくちばしのハニカム構造の細胞壁は波状の正弦波構造をしており、この波状構造により、鳥のくちばしの硬度、エネルギー吸収性能、および損傷耐性が向上します。これに基づいて、Haら[42]は、パネル壁が波状になるように設計された新しいバイオニック多孔質ハニカムサンドイッチパネル（図4（c））を設計しました。彼らはまた、この新しいサンドイッチパネルに対してナノインデンテーションテストを実施しました。その結果、コア材料の厚さが同じ場合、新しいサンドイッチパネルの比エネルギー吸収は、標準的なハニカムサンドイッチパネルの1.25倍であることが示されました。

自然界では、葉脈は水や栄養分を葉に通すだけでなく、葉の形を保ち、ひび割れの拡大を防ぐ役割も果たしています。葉脈の強い性質は、サンドイッチ層構造を強化するヒントになります。

これに触発されて、Sunら[43]は強化サンドイッチ構造（図4(d)）を持つ柔らかいハニカムコアを設計した。この構造では、周期的なバイオニックグリッドがハニカムコアに埋め込まれており、葉の強い葉脈として機能している。その後、面内圧縮試験を実施した結果、強化サンドイッチ構造の剛性と比エネルギー吸収率は、従来のハニカムサンドイッチパネルに比べてそれぞれ 5.3% と 125% 高いことが示されました。この強化サンドイッチ構造は、積層造形を使用して高性能な軽量サンドイッチ構造を開発するための新しい設計アプローチを提供します。

現在、バイオニックエネルギー吸収構造の分野では、生物の構造を模倣することで、より軽量で強度の高い材料を設計することができます。これらのバイオニック構造は、より多くのエネルギーを吸収でき、非常に高い耐衝撃性を備えています。しかし、バイオニック構造のトポロジーの複雑さのため、製造には 3D プリントなどの高度な技術が必要となり、製造コストが増加します。 3D プリントを使用して製造される一部のバイオニック構造では、印刷技術の制限がバイオニック構造の機械的特性にも影響を及ぼし、理想的な値から逸脱する原因となります。

1.2 高強度

自然界の高強度構造物は通常、多層構造、勾配構造、特殊な幾何学的形状などの特徴を備えています。こうした構造形態にヒントを得て、人々はさまざまな高強度バイオニック構造を開発してきました。繊維強化複合材料などの軽量素材と組み合わせることで、これらの高強度で高耐久性のバイオニック構造は、航空宇宙などの工学分野で幅広い応用が期待できます。

1.2.1 高強度ハニカム構造

ハニカム構造は自然界で非常に一般的です。その材料は主に外殻と支持領域に分散されています。この構造上の特徴により、応力が特定の領域に集中するのではなく、構造全体に均等に分散されます。均一な応力分散により、応力集中や損傷の可能性が低減され、構造の強度と靭性が向上します。さらに、ハニカム構造のセルは複数の方向で互いに支え合うことができます。この多方向のサポートにより、外部応力の影響を分散し、構造の変形や損傷のリスクを軽減できます。この独自のメカニズムにより、ハニカム構造は強力な耐荷重能力を備え、人気のあるバイオニック構造の 1 つとなっています。
図5
自然界における馬蹄の微細構造は、通常、多数の同一セルが繰り返し配置されたハニカム構造です。この構造的特徴により、馬蹄は非常に強い耐荷重能力を備えています。 Yangら[14]は、馬蹄形の微細構造（図5(a)）に基づいたバイオニックハニカム構造を設計し、軸圧力下での馬蹄形ハニカム構造のエネルギー吸収挙動の詳細な解析を行った。従来のハニカム構造と比較して、馬蹄形ハニカム構造の圧縮強度は 43.8% 増加します。馬蹄形ハニカム構造の導入により、積層造形における高強度ハニカム構造の設計に新たなアイデアがもたらされます。

ブンタンの皮は層状のハニカム構造をしており、密集した維管束を緩い生物組織が取り囲んでいます。この維管束はブンタンの皮の圧縮抵抗に重要な役割を果たします。張ら[44]は、ザボンの皮の構造特性に着想を得て、階層的な多孔質構造を持つ新しい六角形材料を設計した（図5(b)）。積層ハニカム構造の比エネルギー吸収は、標準ハニカム構造に比べて約15%向上します。構造層を増やし、グレープフルーツの皮のハニカムの幾何学的寸法を変更することで、構造の圧縮抵抗とエネルギー吸収能力が向上します。

スパイダーウェブは構造的にハニカム構造に似ていますが、従来の単層ハニカム構造と比較して、スパイダーウェブ積層ハニカムは単層ハニカムのマクロ的な機械的性能空間を拡大し、垂直衝撃荷重を受けたときに優れた圧縮抵抗とエネルギー吸収能力を発揮します。彼ら[45]は、蜘蛛の巣状の階層構造（図5(c)）を持つ多孔質ハニカム構造の一種を設計した。この構造は、それぞれ一次階層構造と二次階層構造を採用している。その後の圧縮試験の結果、第 1 層クモの巣ハニカムと第 2 層クモの巣ハニカムの比強度は、通常のハニカム構造と比較してそれぞれ 62.1% と 82.4% 増加したことが示されました。このような結果は、より強度の高い層状材料を設計するための貴重な参考資料となります。

1.2.2 高強度ジャイロ構造

自然界には、ジャイロスコープの構造に似た特性を持つ生物や構造物があります。これらは強度が高く、自己安定性があり、外部の振動に耐えることができ、保護とサポートを提供する外殻として機能します。したがって、ジャイロスコープの原理に基づいて設計および構築された構造は、航空宇宙、慣性航法、ロボット工学などの分野で幅広く応用されています。優れた強度と安定性を備え、複雑な環境の要件を満たし、正確な制御と位置決めをサポートします。

図6
ウニは自然界で最もよく知られているバイオミネラル化したジャイロスコープ構造の 1 つであり、その棘は極めて多孔質な構造によって生じる亀裂封入効果により、レンガやコンクリートよりも高い強度対重量比を備えています。この機械的な行動は、捕食動物の攻撃による衝撃、破損、摩耗からこれらの種を保護することに関連しています。ウニの構造にヒントを得て、Pengら[15]は、3Dプリント技術、実験、理論式、数値シミュレーションを組み合わせて、三重周期極小表面（TPMS）セル構造コア（図6（a））を参考に、新しいタイプの軽量ジャイロスコープ構造を研究した。その後、この新しいジャイロ構造に対して3点曲げ試験を実施したところ、TPMSコアの相対密度が0.35と0.5のときに、最大荷重がそれぞれ約15.9 Nと23.1 Nとなり、耐荷重性が大幅に向上することが分かりました。

蝶の羽は、複数のコンポーネントで構成された、マルチスケールの異質多孔質ジャイロスコープハイブリッド構造です。機械的な観点から見ると、蝶の羽は曲げ荷重に最適化された構造であり、2 つの外側領域を分離する多孔質中央領域と、垂直の小さなロッドを介して多孔質コアに接続された荷重支持ロッドを備えています (図 6(b))。内部多孔質領域のこのトポロジーは、構造の剛性を最大化するだけでなく、その質量も最小化します。ペランコニとオルトーナ[16]は、蝶の羽の鱗を観察して超軽量のジャイロスコープ構造を設計した（図6(b)）。彼らはステレオリソグラフィー3Dプリント技術を使用してプラスチック部品をメイン構造に印刷し、リブの代わりにカーボンファイバー強化リブをメイン構造に接続した。曲げ試験の結果、炭素繊維で補強された構造の最大耐荷重能力は、補強されていない構造の最大耐荷重能力より 180% 高いことが示されました。

さらに、自然界で最も強い生物材料には巻貝の歯があり、これもまた高強度のジャイロスコープ構造です。最も高い引張強度を持つ 2 つの生物学的物質であるキチンと針鉄鉱は、巻貝の歯に含まれています。ラムニーら[46]は、海産巻貝の歯組織と細胞を解析することで歯形成の分子メカニズムを明らかにし、生体内および試験管内で歯の発達過程全体を再現することに成功した。彼らはまた、キトサン繊維と酸化鉄結晶を織り合わせた高強度のバイオ複合ジャイロ構造も開発しました。これは、最強のバイオマテリアルの分野における大きな進歩であり、積層造形法を使用して最強の材料を製造できる可能性を示しています。

バイオニック設計により、3D プリントされたバイオニック構造は高い強度を実現し、多くの応用分野のニーズを満たすことができます。同様に、これらのバイオニック構造は、材料の質量を減らして構造全体の質量を減らすことで、動作効率を向上させることもできます。しかし、3D プリントされた生体模倣構造の製造プロセスは比較的複雑になる可能性があり、材料の分布と積層構造を正確に制御する必要があります。最後に、生体模倣構造の信頼性は、その複雑さと多機能性によって影響を受ける可能性があり、メンテナンスと維持が困難になる可能性があります。

1.3 高い剛性

図7
ガラススポンジは、その複雑なガラス質の骨格構造、優れた機械的特性を持つ軽量構造にちなんで名付けられました。 Euplectella aspergillum は、対称的な自由空間を持つ多孔質構造の骨格系を持つガラススポンジ構造であり、シリコンセラミックスの微細繊維と、ガラススポンジ (Euplectella aspergillum、EA) のスポンジ骨格を構成する有機成分で構成されています。 Tavangarianら[47]は、Aspergillus EAスポンジの針状構造をシミュレートし、積層造形技術を開発して使用し、ロッドの機械的特性が改善された新しい構造を調製しました（図7（a））。この構造は、異なる直径のシリンダーを円筒形構造に埋め込み、ネストされた円筒形構造 (NCS) を形成します。その後、層の厚さを変えた NCS に対して曲げ試験を実施したところ、層の厚さが増すにつれて NCS の強度と柔軟性が増すことがわかりました。さらに、NCS は固体ロッドよりも剛性が高く、破壊プロセスが遅いことがわかりました。これは、入れ子になった円筒構造のエネルギー吸収と、亀裂の屈折、分岐、橋渡しなどの強化メカニズムによるものです。

自然界のパール構造は、2 つの異なる対照的な配置 (一方向の錠剤積層柱と角張った錠剤組織シート) から生じる独自の階層構造により、優れた靭性と高い弾性率を兼ね備えています。 Patadiya et al。 11.23％）、および曲げ弾性率は1563 MPa（10.85％増加）であり、それらはすべてNCの構造と比較してNCのものよりも高かった。

マンティスエビの殻は、透過性があり、二極性があり、高度に高度に鉱化されたヒドロキシアパタイトの足場と有機相で構成されており、高度な機械的特性を維持するために、バイオ挿入コンポジットの不連続なセラミック相によって引き起こされるハード/ソフト界面でのストレス濃度を改善することができます。したがって、[17]は、マンティスエビのシェルの両緊張構造を模倣して（図7（c））、添加剤の造形によって調製されたセラミック複合材料を作り、純粋なセラミック材料と比較して約116倍改善されます。

高剛性のバイオニック構造は、強度、靭性、疲労抵抗が高く、航空宇宙や輸送などの品質に敏感な産業に適しています。ただし、その複雑な構造設計は、製造コストの増加につながる可能性があり、構造の層間結合が不十分な場合、その性能が影響を受ける可能性があります。最後に、これらのバイオニック構造の性能も使用される材料の特性によって制限されるため、構造の高い剛性を実現するために適切な材料を選択する必要もあります。

3Dプリントされたバイオニック構造の2つの機能設計と応用

3D印刷されたバイオニック構造は、機械的特性を大幅に改善するだけでなく、機能を拡大することもできます。機能設計を通じて、3D印刷されたバイオニック構造がより多くの分野で使用されています。この章では、3D印刷されたバイオニック構造の機能的設計と応用について説明し、3D印刷されたバイオニック構造におけるセンシング、作動、生物医学、その他の機能の実装を要約します。

2.1センシング機能

自然界では、イカ、ノミ、細胞の血管などの生物学的構造は、ピエゾレクトリック、ひずみ、温度、および湿度の知覚特性を持っています。生物学的知覚の原理を理解し、模倣し、3D印刷の迅速なプロトタイピングの利点を組み合わせることにより、優れたパフォーマンス、高感度、強力な適応性を備えたバイオゾレクティックセンシング構造やバイオゾーブの緊張感覚構造など、複雑な環境での認識ニーズを満たすために、より実践的な環境を促進するために、。

図8
本質的にいくつかの生物学的構造は、バイオニック圧電センシング構造の設計に刺激を与えています。イカは、深海地域での高い水圧に耐えることができる硬い骨構造を持っています。したがって、高強度と靭性の機械的特性と圧電センシング機能を備えた持続可能で修理可能な追加の保護層を形成します。今日、このバイオニック圧電センシング構造の設計の感度とヒステリシスは大幅に改善されています。従来のバイオニック構造センサーは、高電圧シナリオのアプリケーション範囲と中電圧シナリオでの高いヒステリシスの範囲が限られていますが、バイオニック圧電センシング構造は高感度と検出機能を備えています。ノミの脚の筋肉構造は、2つのインターロックアーク構造で構成されています。 3D印刷技術に基づいて、Guo et al。 FPSには、高感度（0-1 kPaの場合は1.005 kPa-1）、幅広い検出範囲（200 kPa）、高い再現性（10 kPa）、低ヒステリシス（1.3％）、高速応答時間（40ミリ秒）、および低検出リミット（0.5 Pa）が施されているため、首を塗りつぶすことができます。。これは、高感度の低油理学的ピエゾ電気センシング構造の設計における大きなブレークスルーです。

生物学に触発された学者は、オブジェクトや構造のひずみを測定するためにバイオニックセンサーを設計しました。自然界では、生細胞は細胞外の機械的刺激を細胞内生化学シグナルに変換することができます。したがって、3D印刷技術[50]は、細胞の構造的特性を模倣することにより、超敏感な特性を持つ複合材料を開発しました高い空間分解能を持つ大規模なメカノルミネセンター構造に。現在、従来の柔らかい自己治癒材料は亀裂伝播に対する抵抗が不十分ですが、小動物の血管の柔らかくて丈夫な平滑筋組織は、連続的な収縮と緩み中に血圧の劇的な変化に耐えることができます。メカニズムは、血管平滑筋に触発されました。コアシェル構造を分子界面の金属協調的なアセンブリを介して液体金属液滴に導入することにより、柔らかさを犠牲にすることなく、亀裂抵抗ひずみと骨折の靭性がそれぞれ12.2倍および34.9倍増加します。骨折の靭性は（111.16±8.76）kj/m2に達する可能性があり、これはAlおよびZn合金の骨折靭性よりもさらに高くなります。さらに、合成された生体模倣構造は、局所近赤外照射下で速い自己治癒動態（1分）および超高誘電率を持ち、3D印刷技術を使用して迅速に生成できます。これにより、従来の柔らかい自己修復材料の欠陥が包括的に改善されます。

バイオニック圧電センシング構造とバイオニックひずみセンシング構造に加えて、自然の植物構造は、バイオニック温度と湿度センサーの設計に深いインスピレーションをもたらします。自然の中での植物の種は、アセルの植物の種の広がりに触発されています。この航空機の明るい特性は温度とともに変化し、それにより環境監視の範囲が拡大します。水は地球のシステムの重要な成分であり、水蒸気はどこにでもあるため、湿度センシングには多くの分野で幅広い用途があります。 Esteves et al。このイオン液体ソフト材料（図8（f））は、異なる極性と親水性の化合物に対して異なる反応性を持ち、乾燥条件と湿潤条件の両方でガスセンシングが可能です。さらに、このイオン液体材料の光学的および電気信号を研究することにより、揮発性の有機化合物に対してより速く反応することがわかりました。つまり、湿度をより迅速に感じることができます。

2.2ドライブ機能

自然の生物は、さまざまな動きの法則に従います。バイオニック作動構造は、効率的で柔軟で適応性のあるモーションコントロールを実現するために、生物の動きのメカニズムと機械的原理に触発されています。たとえば、BASA魚、生物学的筋肉構造、ミモザなどの動きのメカニズムは、バイオニックドライブ構造に設計のインスピレーションを提供できます。添加剤の製造技術は、複雑な構造、電気ドライブ、磁気ドライブ、空気圧ドライブなどの高精度と良好な運転性能を備えたバイオニックドライブ構造を柔軟に製造するために使用され、さまざまな環境での運転機能を満たし、ロボット、医療機器などのモーションコントロールとメカニズムの設計を改善するためのドライブのフィールドで新しいパスを開きます。

図9
電気駆動と磁気駆動は、接触なし、摩擦なし、高効率、高い信頼性の利点を持っています。これにより、ロボット、ミキサー、気密機器など、多くのフィールドで広く使用できます。 Basa Fishは、電気駆動とうまく組み合わせることができる動きのメカニズムであるソフトフィンレイの尾を起伏することにより、前方に推進します。 Youssef et al。サーボモーターによって駆動される柔軟なフィンテール構造を使用して、ロボット魚の動力を供給し、補強学習（RL）アルゴリズムを使用して、水泳の制御戦略を提供します。磁気駆動は、磁力を使用して機械または機器を駆動してドライブを生成します。

Moradi et al。次に、患者の手の筋肉の磁気線検知信号に基づいて、バイオニックハンドを制御しました。さらに、電磁波として、光は生物によって知覚され、動きを生成することもできます。ミモザは光の刺激を感知すると縮小し、その葉はすぐに折りたたまれて動きを達成します。 Li et al。次に、磁気ロッドを刺激することにより、金属製の刃を閉じて開くことができ、形状の変化を制御できるようにします。

空気圧は、動きを達成するためのガス圧の作用下での構造の拡大と収縮です。人間の筋肉の収縮と膨張、および関与する構造形状の変化は、空気圧運動によって達成できます。 De Pascali et al。この構造は、3D印刷技術を使用して、さまざまなスケール上のさまざまな材料から製造され、複雑な機器にシームレスな統合を実現し、複雑で多様な動きを実現します。 Wang et al。この構造は、局所的な剛性制御を実現するために、ロボットを設計することができます。

2.3生物医学工学

添加剤の製造技術の開発はますます成熟しているため、医学への応用はますます広範囲になります。医療分野での3D印刷の適用は、骨、関節、メニスカス、皮膚再生技術、内部組織薬、神経インプラント監視技術などの医学的問題を解決し、医療技術の多くのボトルネックを通じて突破しました。生物医学工学における3D印刷された生物学的構造の適用はますます評価されており、医学におけるこの技術の将来の開発の見通しは計り知れません。

図10
医学では、骨、関節などの再生と回復技術は、患者の術後の生活にとって特に重要です。 Zhang et al。 Keshtiban et al。膝関節のメニスカス構造の再生は、メニスカスの自然な成熟と再生プロセスに触発されています。さらに、再生された生物学的構造の3D印刷の修復は、医学の主要な技術的困難でもあります。 Jorgensen et al。次に、ヒト細胞を含むバイオプリント皮膚をマウスの表面創傷に移植し、急速な血管の形成を促進し、天然のヒト表皮と同様の表皮ネットワークを形成することがわかった。バイプリントされた皮膚移植片は、上皮化を改善し、皮膚の収縮を減らし、正常なコラーゲン組織をサポートし、線維症を減らし、それにより外傷の治癒を促進します。

マイクロニードルシミュレーションは、生物学的にインスピレーションを受けた方法を使用して設計および生成されたマイクロニードルパッチであり、湿った環境で組織表面の接着と効果的な薬物送達を実現し、組織で局所薬を実現します。ブルーリングタコによる獲物中に毒を獲物に注入するメカニズムに触発された[22] Zhu et al。従来の薬物送達方法と比較して、より強い組織浸透、より効果的な組織表面接着、制御された薬物放出、より良いバイオセーフティ、およびより良い医学的影響の利点があります。

蚊の口の鋭い顎は、表皮を容易に貫通し、軟管を同時に導きます。蚊の口の部分に触発されたZhou et alは、2光子3D印刷を介してMicropipeトラックモジュールのベースを作成し、高感度センサーと高忠実なマルチチャネル柔軟な電極アレイを統合します。このバイオニックニューラルプローブは、カスタムおよび分布の移植を可能にし、異なる脳領域で電極アレイの着床を実装できるため、大規模な神経活動を監視するための電極アレイの着床が可能になります。

生物学的な折り畳み細胞膜は優れた変動性を備えており、大脳皮質層の動物の知能を改善できますが、ナノフォールド構造の製造は現在、大きな課題です。 Fan et al。ナノウリンクル構造の3D微細構造は、レーザーダイレクトアセンブリ（FSLDW）テクノロジーを使用して製造されました。

2.4その他の機能

3Dプリントされたバイオニック構造は、センシングと駆動機能を実現するだけでなく、生物医学工学の幅広いアプリケーションの見通しを持っているだけでなく、電磁波吸収、太陽エネルギー変換、光学イメージングなどの他の特別な機能も実現できます。 3Dプリントの柔軟性と精度を使用して、バイオニクスの原則と組み合わせて、複雑な形状と最適化されたパフォーマンスを備えた構造の製造と設計は、将来のイノベーションの大きな可能性を提供します。

従来のハニカム構造電磁波吸収材は、多機能材料としてさまざまな機器で広く使用されています。ただし、現在の電磁波材料は、構造形式の異方性により、狭い吸収帯域幅によって制限されています。蝶の翼には優れた幾何学的光学特性と表面があり、強力な電磁波吸収能力を備えています。

パリドの翼の上のジャイロウルトラワイドバンド電磁波吸収メタマテリアル構造に触発されました。このバイオニック構造は、投影リソグラフィ添加剤（SLA）および含浸コーティングプロセスによって調製され、誘電損失材料で満たされています。バイオニック構造には、広い吸収帯（2〜40 GHz）と安定した周波数応答があります。

図11
生物は、自然の光合成などの効率的なエネルギー変換方法を進化させ、エンジニアリングアプリケーションを刺激することができます。 Wang et al。この生物学的太陽光蒸発器は、高速の太陽蒸発速度（4.12 kg/（M2・h -1））と高エネルギー変換効率（92.1％）を持ち、強力な水処理能力を持っています。

さまざまな生物の視覚メカニズムは、例えば、多くの小さな構造単位で構成されています。各構造ユニットには、すべてのユニットが異なる環境の光をキャプチャし、狩猟を避けるための空間的位置認識を認識します。 Hu et al。空間的位置の識別、ターゲット軌道の移動の監視、微生物のリアルタイムモニタリングのためのマイクロ流体チップとの統合を実現できます。

結論このペーパーでは、機械的パフォーマンスの最適化と機能設計における添加剤製造技術を使用して調製されたバイオニック構造の研究の進歩をレビューします。バイオニックテクノロジーと添加剤の製造技術がますます成熟するにつれて、添加剤の製造とバイオニック構造設計の組み合わせは、将来ますます広く普及するようになります。現在、添加剤の製造技術を使用してバイオニック構造を製造することについてのレポートはまだ比較的少ないです。これは、添加剤製造技術の成形プロセスの欠陥に関連する可能性がありますが、加法製造技術成形技術の柔軟性は、科学研究者がそれを選択するための確固たる理由です。同時に、自然界の複雑な構造は、従来の設計と製造技術の能力をはるかに超えており、それがバイオニック研究の進歩とエンジニアリングシステムでの使用を妨げます。したがって、添加剤の製造技術は、本質的にマルチスケール、マルチマテリアル、多機能構造を模倣し、製造するための新しい機会を提供します。これは、調製を達成するために材料の層蓄積による添加剤製造層の成形特性と切り離せないものです。バイオニック構造を準備するための添加剤製造技術の使用は、エネルギーの吸収、強度、剛性を改善するだけでなく、センシング、運転、医療工学、その他の機能を実現することも実現します。

現在、添加剤の特性と機能的特性のブレークスルーを実現するために、添加剤の構造を準備するために添加剤の製造技術を使用することは間違いなく可能です。

（1）エンジニアリングシステムで使用できるバイオニック構造を設計するために、自然の合成メカニズムをさらに研究します。自然はかなりの期間を費やして生物を作成し、対照的に、人工製造技術としての添加剤製造技術が非常に短い時間を開発しました。したがって、自然界の材料形成プロセスのメカニズムを理解することで、より短い時間で自然な成長プロセスをシミュレートする代替方法を見つけることができます。したがって、添加剤の製造技術とバイオニック構造を組み合わせることで、単に生物学的構造を複製するだけでなく、これらの天然材料の合成のための技術をより深く理解することもできます。

（2）本質的な構造材料は、一般に複数の材料（タンパク質、多糖など）で構成されていますが、生体模倣添加剤の製造に使用される材料は通常、特定の制限があるポリマー、特定のセラミック材料、金属材料に限定されています。したがって、バイオニック添加剤の製造に使用して新しい複合材料を開発するために使用できる材料の種類を広げることも重要な研究課題です。

（3）本質的なほとんどの生物学的構造は、複数のスケールおよび多機能であり、これらの生物学的材料のマルチスケール構造は、機能的統合を達成する上で重要な役割を果たします。現在、ほとんどのバイオニック添加剤製造技術は、自然構造の単一機能を複製しているだけであり、その製造プロセスでは、多機能および多機能的な生物学的構造を作成することはできません。したがって、可能な限り多規模で多機能的な生物学的構造を準備することは、学際的な研究を含む永続的な課題です。

（4）複雑な生物学的構造をより適切に準備するためには、3D印刷技術のさらなる改善が必要です。さまざまなサイズ構造の対応する3D印刷プロセスを開発して、バイオニック構造準備のマルチスケールの課題を解決します。さらに、添加剤の製造技術と従来の製造技術を組み合わせて、低ディフェクトと高強度の材料の調製を実現することもできます。

全体として、自然自体の作成プロセスは、添加剤の製造プロセスと見なすことができます。自然は単一の細胞から始まり、環境から材料を栽培または採取することにより、徐々に生物に追加します。このようなプロセスは、より効率的で効率的な方法で自然構造に近いオブジェクトを作成するために、新しい添加剤製造技術を刺激します。自然の構造を理解し、3Dプリントを通じてそれらをコピーし、さまざまなエンジニアリングに使用することで、バイオニクスの分野の開発が効果的に促進されます。 Bio3D印刷に関する将来の研究は、多機能、マルチスケール、マルチマテリアル、多次元（4D印刷）製造のカテゴリに分類されます。バイオニック添加剤製造技術の開発により、将来のエンジニアリングシステムにブレークスルーをもたらし、次世代の機能材料と構造を構築します。

参照：省略

積層造形バイオニック構造の機械的特性最適化と機能設計に関する研究の進歩

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