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自然界的启示:仿生学中的微纳3D打印

更新时间:2023-10-12      点击次数:697

自然界包罗万象,给予了人类无限的启发。在物竞天择,适者生存的自然规律下,孕育出种类繁多的生物体,在万物漫长生长过程中,人们善于研究生物体的结构与功能,根据生物习性、生长规律、结构特征、防御策略等发明创造出兼具复杂结构且精巧实用的技术,仿生学(Bionics)应运而生

仿生学是一门古老的学科,是指人们通过分析生物体的结构与功能工作原理,模仿生物体的结构、功能、行为或机制,设计出新的设备、工具和科技,以此达到特定目标并解决特定问题,它们被广泛用于医疗、航天航空、建筑、环境、材料等领域,卓有成效地解决了人类在生产、科研、生活等遇到的难题。

01 师法自然,PµSL技术与仿生学

发展至今,仿生学逐渐进步到更精密的行业应用,我们可以看到利用蜜蜂飞行方式发明出的蜜蜂机器人,可任意穿梭于狭窄空间,协助人类执行灾区等危险环境检测;利用荷叶的超级疏水性设计出的自清洁表面材料,可有效解决能源消耗难题。另外,还有用于医疗行业的人工耳蜗、仿生眼、可穿戴的仿生软体机器人等。仿生学在生物医疗、超材料、微机械、微流控、新能源、新材料、安全防控等应用方向,不断开创了更具前瞻性和科技力的发展领域。

摩方精密在仿生学应用有着丰富的科研经验,在研究生物体结构与特性之间的相关性中,设计制备出具有该特性的结构和材料,通过面投影微立体光刻(PµSL)技术,可完成复杂三维微结构的快速成型制作,摩方精密制备出的仿生结构被应用于超材料、微流控器件、生物医疗、微机械、微纳光学器件、新能源等众多领域。

02 客户案例,PµSL技术助力科研新突破

在仿生学领域,摩方精密已与众多科研机构合作完成了多项科研成果。

①香港城市大学王钻开团队

香港城市大学王钻开教授及其合作者借鉴南洋杉叶片多重悬臂结构特征,利用摩方精密nanoArch® S140设备制备了仿南洋杉3D毛细锯齿结构表面,通过建立3D固/液界面交互作用,实现流体运动方向的自主选择。其研究成果以“3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”为题发表在国际期刊Science上。

论文链接https://www.science。。org/doi/10.1126/science.abg7552

②中国科学院吴晅团队

中国科学院合肥物质科学研究院吴晅课题组受爬岩鱼吸附现象的启发,研制了一款边缘具有分层微结构的仿生吸附器件,通过摩方精密nanoArch® S140打印系统和胶体球刻蚀技术制造了具有不同仿生特征的仿生吸盘,顺利验证了微结构形状和规模、表面粗糙度和边缘材料对仿生吸盘粘附力的影响。

论文链接:https://doi.org/10.3390/biomimetics7040202

③香港城市大学陆洋团队

香港城市大学陆洋教授课题组研究海螺壳交错层状微纳结构,观测其内部的软-硬界面可在保证有效能量吸收的同时合理调控生成裂纹的走向,受此启发提出了一种的机械超材料结构设计长程周期性概念。利用摩方精密nanoArch® P130, S140超高精度3D打印系统,协助团队实现了仿生机械超材料单元在微米尺度的高分辨制备。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c12297

④西南科大李国强/海河实验室曹墨源

西南科技大学微纳仿生系统与智能化研究团队李国强教授与海河实验室曹墨源研究员合作,受鱼刺微油滴操控功能、水稻叶表面各向异性液滴滑动现象启发,利用摩方精密nanoArch® S140、P150技术制备了一种多仿生槽锥刺结构(BGCS),可实现水下油滴的逆重力高效运输与收集。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202201035

⑤湖南大学王兆龙团队

湖南大学王兆龙课题组观察到自然界的树木依靠其的根茎系统,可以从很深的土壤里吸取水分,利用毛细力向上运输到叶片中进行光合作用。基于仿生太阳能蒸发器优秀的蒸发性能与液体输运能力,研究人员将其应用在污水降解及海水淡化等方面。在摩方精密nanoArch® P140设备支持下,成功制备了仿生微通道及水凝胶蒸发器样品,从而协助团队实现富含碳纳米颗粒的多孔水凝胶网络结构及仿生微通道的复合蒸发器结构。

论文链接:https://doi.org/10.1002/solr.202101063

创新不限,探索不止,自然界给了人类无限的想象力空间,让我们串联起生物与科技的桥梁。和谐共生,科技向善,人们要做的不是征服自然,而是利用大自然赋予的神秘力量,攫取更多灵感解决现实世界中的各种问题,推动人类走向更高的文明。

备注:已获得转载版权