供稿人：李宏伟 ,李涤尘 发布日期：2017-04-05
由哈佛大学威斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和丹麦奥尔胡斯大学（Aarhus University）以及德国马克斯普朗克胶体与界面研究所（Max Planck Institute of Colloids and Interfaces）组成的研究团队为获得强度更好的材料，尝试从牡蛎和鲍鱼外壳结构（图1）获取设计思路，应用基于算法的设计和多材料3D打印探索是什么原因导致贝壳比相同矿物质构成的构件强度要高出大约3000倍。
图1：（鲍属软体动物）鲍鱼和（珠牡贝属）牡蛎贝壳层的搭接结构。图片来自Simon Frølich, James C. Weaver, Mason N. Dean and Henrik Birkedal
研究过程由四部分构成（图2）：
第一阶段：拍摄贝类外壳的扫描电子显微镜图像，目的是揭示细胞内部的几何形态，以更好的理解贝壳（也被称作是珠母贝）的“砖块和砂浆”堆积结构。以及贝壳是如何通过坚硬的矿物“砖块”和柔软有弹性的“水泥”结合而建造的。
第二阶段：在第一阶段获取的设计信息被用来创建结构参数化建模算法。
第三阶段：研究人员用Stratasys公司的多材料打印机Connex500将参数化模型打印成型， PolyJet材料白色树脂和透明树脂混合作为“砖块”，透明类橡胶弹性材料作为“水泥”。
第四阶段：对打印出的部件进行机械强度测试，模拟鲍鱼以及牡蛎在自然环境中遇到的诸如来自皮皮虾的猛烈击打（图3）。
多次重复实施这四个过程，之后又对3D打印出的材料进行电子扫描显微镜图像拍摄以进一步研究目标物内部精确和完美的结构。
图2：研究思路图
图3：皮皮虾对螃蟹的袭击.
Clip via Mantisman™ on YouTube研究认为：参数化设计为3D模型构成元素与理解目标物是如何工作建立了联系。参数化模型在3D打印之前，需要首先建立物体的内部几何形状，该种研究方式将造型和功能结合在了一起，为巨大设计参数空间建立了高效和高通量的实验甄别，使得结构设计特征的探索在材料性能的表现当中显得尤为重要。该研究最终的三维实物模型不是研究之后的直接仿制物也不是高度简化的结构类似体。该研究过程中参数-变量式的方法优势在于其可以创建灵活高效的真实三维模型，这种三维模型易于修改并且可以应用在任何系统中。仿制自然强度，以及其他生物学材料特性为未来制造指明了方向。
随着3D打印技术的成熟和应用，设计师开始不断从生物结构中获得启发：位于西班牙马德里的3D打印大桥（图4），米兰的骨状亭（图5），加拿大麦吉尔大学的研究小组利用3D打印仿制并且测试了犬牙交错状的龟外壳结构。
图4：位于西班牙南部的3D打印大桥
图5：米兰骨状亭