智能结构的3D打印：分类、挑战和趋势

近年来，智能结构以其可控变形、自修复和传感等功能特性而受到广泛关注，在现代跨学科研究中发挥了关键作用，其在仿生学、软体机器人、航天工程、柔性传感和生物医学等领域拥有广阔的应用前景。随着智能结构的材料多样性和结构复杂性的提高，传统制造方法难以满足现阶段需求，3D打印技术因其多材料兼容性、个性化定制和集成制造的能力而适用于制造各种智能结构，给智能结构的加工制造提供了一种经济有效的方式。

EFL团队受主编约稿在Advanced Intelligent Systems期刊发表“Recent Progress in 3D Printing of Smart Structures: Classification, Challenges, and Trends”这一主题综述，纪毓杨博士生为第一作者，栾丛丛博士和贺永教授为通讯作者。本综述主要对各种智能结构（刺激响应型智能结构、自修复智能结构和传感智能结构）的3D打印方法、所使用的材料及应用领域的最新进展进行了全面的概述，还系统的总结了智能结构的3D打印技术的需求、当前瓶颈和未来发展趋势。

图1 常见的三种智能结构功能及本综述的主要关注点

1. 智能结构中主流3D打印技术简介

3D 打印已成为一种可以替代传统制造方法的通用制造方法。在3D打印过程中，使用CAD软件将对象虚拟地切成多个层、块或斑点。此后，使用打印机将打印材料逐层或逐块堆叠以获得目标对象。如图2所示，科学研究和自然生活总是息息相关，根据表面成型方法的不同，可以将智能结构增材制造中3种常用的3D打印工艺形象地看作是日常生活中土豆的3种加工方式的逆过程。（1）土豆切片与光固化打印类比，比如数字光处理 (DLP)、投影微立体光刻 (PμSL)、磁场辅助投影立体光刻 (M-PSL) 和微尺度连续光学打印 (μCOP)；（2）土豆切丝与挤出式打印类比，比如直接墨水书写 (DIW) 和熔融沉积建模 (FDM)。（3）土豆切块与喷墨式打印类比，比如PolyJet和基于气溶胶喷射打印技术 (AJP)。

图2 3D打印原理与方法进行类比(类似切土豆的逆过程)

2. 智能结构的分类与总结

2.1 温度响应智能结构

温度响应智能结构可以随温度变化产生响应以实现预定功能。这种智能结构功能的实现一般通过以下几种方式：（1）将多个热敏度不同的层叠在一起，热敏度不同的层可以使用不同的材料或具有不同厚度的相同材料来得到；（2）将形状记忆材料嵌入较软的基材中；（3）特定形状的热源加热；（4）在制造期间或之后施加预应力。温度响应智能结构在仿生变形结构、软体机器人和非二进制致动器方面有广泛的应用前景。

DIW和FDM是温度响应智能结构增材制造中广泛使用的方法。通过喷墨打印和 DLP 方法制造温度响应智能结构也越来越受到关注。PμSL方法使制造具有高分辨率微结构的温度响应智能结构成为可能。温度响应智能材料主要包括水凝胶和形状记忆聚合物，其中PNIPAAm是应用最广泛的智能水凝胶。有限的响应速度、驱动力、结构稳定性和力学性能是制约温度响应智能结构发展的关键因素。目前，能够用于3D打印的高性能温度敏感智能材料仍然较少。虽然已经有针对双向驱动器所需的材料和制造工艺的相关研究，但大多数温度响应智能结构只能实现单向驱动。为了进一步对变形行为进行定量分析并对印刷参数进行优化，已经进行了许多理论分析和仿真模拟，并仍需进一步研究。

图3 温度响应智能结构

2.2 电磁响应智能结构

电响应智能结构通常由电活性聚合物驱动，例如介电弹性体致动器 (DEA) 和电活性水凝胶 (EAH)，因为它们具有相当大的应变能力和能量密度。电响应智能结构通常通过分层或缠绕的方式将电致伸缩材料和非电活性材料结合起来，以实现弯曲和扭曲等基本动作，复杂的动作可以通过多个基本动作的组合来实现。

图4 电响应智能结构

磁响应智能结构因其快速响应和非接触控制特性而被广泛应用。磁响应功能通常是通过将铁磁颗粒掺杂到聚合物基质中来实现的，例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、UV 树脂和水凝胶。为了在磁场中实现复杂的变形，可以通过将各部分沿不同方向磁化来调整磁力方向，并且可以调节磁性粒子的浓度来改变磁力大小。

图5 磁响应智能结构

DIW是应用最广泛的电磁响应智能结构增材制造方法。对于磁响应智能结构而言，铁粉、羟基铁粉和Fe3O4粉末是常见的软磁颗粒，NdFeB颗粒是常见的硬磁颗粒。值得注意的是，不同磁化方向的组件通常需要单独磁化然后进行手动组装，这是阻碍复杂磁响应智能结构小型化和制造效率提高的关键问题，磁场辅助3D打印方法提供了有效的解决方案。同时，尽管微机器人在血管状管道中的运动控制已经实现，外部电磁控制装置的控制策略和小型化需要进一步研究。

2.3 自修复智能结构

自修复智能结构可以自动或在外部刺激（如光或热）的影响下修复材料中的损伤。因此，它们为结构寿命延长提供了一种简单且低成本的方法。愈合效率和成功连续愈合循环的数量是表征此类智能结构自修复性能的两个主要参数。自修复智能结构的建模方法主要包括使用含有可逆键的自修复材料和内部插入含有修复成分的空心血管网络或胶囊。3D打印技术的引入使得复杂自愈结构（如复杂形状和复杂的内部的血管网络）的制造成为可能。

DIW 再次成为制造自修复智能结构最常用的方法。基于可逆化学键的自修复智能结构的愈合率几乎可以达到100%，而大多数基于血管网络的自修复智能结构的愈合率相对较低。有几个问题需要进一步研究：（1）现有的自修复智能结构的自修复时间普遍较长，许多修复过程需要施加外部刺激进行触发。寻找合适的修复剂来实现不同材料的自主快速愈合尤为重要。（2）探索能够在低工作强度条件下实现自愈的智能结构对于提高生产效率至关重要。（3）血管网络的结构极大地影响自愈性能。因此，为更科学的结构探索更为科学有效的血管结构设计方法显得尤为重要。对此，提出了一种基于默里定律的仿生血管网络设计方法。（4）目前的研究重点主要集中在机械性能的自愈性能。其他特性的恢复（如电气特性）也需要进一步研究。

图6 自修复智能结构

2.4 传感智能结构

传感智能结构可以感知在外部物理参数的变化，例如位移、压力和湿度。传感功能通常是通过将电子元件或压电导电材料嵌入绝缘基质中来实现的。这种结构在诸如可穿戴电子传感设备、软机器人智能触觉监测、关键部件实时监测等领域展现出广泛的应用前景。

3D打印技术的应用为可穿戴柔性传感器和机器人触觉传感系统的制造提供了一种简单有效的方法。然而，目前大多数智能传感结构只能进行定性分析，难以实现高精度的定量测量，线性度较差。因此，进一步的研究是必要的。

图7 传感智能结构

2.5 其他智能结构

针对前面分类中没有提到的一些智能结构进行了补充和简要综述，包括一些刺激响应性智能结构，刺激类型涵盖PH、光、声波和离子浓度等，还对基于溶胀原理的智能结构、具有选择透过性的智能结构和拥有变色功能的智能结构也进行了概述，大多数这些智能结构 3D 打印方法的研究仍处于起步阶段。

图8 几种其他智能结构

3. 智能结构的3D打印技术中存在的挑战

3D打印因其多材料兼容性、个性化定制和集成制造的能力而适用于各种智能结构的制造。不同类型的智能结构需要不同的 3D 打印方法。在所有综述的智能结构中，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 方法的磁响应功能特异性限制了这些方法的普遍应用。3D 打印速度、分辨率和成本之间一直是一种此消彼长的权衡关系。因此，选择合适的 3D 打印方法的关键是在这三者之间找到一种微妙的平衡关系。

图9 各种智能结构中用到的3D打印方法总结

4. 智能结构的3D打印技术未来的发展趋势

（1）在材料方面，寻找新的可印刷高性能智能材料或改进现有可印刷材料的性能至关重要。通过掺杂功能因子或流变改性剂来为传统基体材料提供新特性的是一个不错的方法。例如，碳纳米管可以与 PLA 混合以实现优异的导电性；羟基铁粉可掺入水凝胶中以获得优异的磁响应特性；PLAs 可以掺杂含有动态 Diels-Alder 功能的聚合物以实现优异的层间粘合性能。

（2）在智能结构功能方面，多功能结构的探索有望成为大势所趋。目前，大多数智能结构只能执行单一功能。多功能智能结构的发展将提高其性能并扩大其应用范围。例如，已经提出了具有自愈能力和受激变形能力的智能结构、整合刺激响应变形和电导功能的智能结构以及整合自我监测和自我修复功能的结构。此外，已经提出了能对多种刺激做出反应的智能结构，使同一个智能结构应用于多种场景成为可能。

（3）从制造的角度来看，新的 3D 打印方法和设备的开发值得进一步研究。适用于新型高性能智能材料的制造方法将大大促进对智能结构的研究。值得注意的是，已经提出了一种用于原位制造的 3D 打印方法，该方法可以在工作位置直接打印对象，从而提高制造效率并使在如月球等恶劣环境下的现场直接制造成为可能。另外，在开发新型3D打印设备时，安装质量监控装置可以在打印过程中实时监控和修正，从而提高打印精度，减少缺陷。

（4）在应用方面，现有的智能结构往往会出现形似神不似的问题。因此，在提出相关概念之后，需要在现实生活中找到实际的应用场景。这就要求智能结构的驱动力和位移能力应该增加，响应速度应该进一步提高。此外，智能结构的耐久性需要更多的研究。目前，大多数温度响应材料不能承受高温，智能结构中常用的一些材料（如水凝胶）在恶劣条件下无法有效发挥作用。并且，必须建立对各种智能结构的智能行为进行高精度定量分析的理论模型。对智能结构的跨尺度研究也应该开展研究，不但要关注智能结构的微细观微结构对功能的影响，也要拥有宏观大尺寸智能结构的打印能力。