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作 者

李星燃、張寶玉、Timothy Jakobi、于征磊、任露泉、張志輝

機 構

吉林大學

遼寧材料實驗室

新南威爾士大學

Citation

Li X R, Zhang B Y, Jakobi T, Yu Z L, Ren L Q, Zhang Z H. 2024. Laser-based bionic manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf.6042003.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3f59

撰稿 | 文章作者

No. 1

文章導讀

生物體的“自我制造”能力為設計新一代結構材料提供了寶貴的靈感來源，并推動著現代材料科學與工程的范式轉變。然而，生物的復雜結構和多功能集成優化遠遠超出了當前人工設計和制造技術的能力，迫切需要新的制造方法來實現生物功能的高效再現。仿生制造技術不僅是對大自然絕妙設計的借鑒，也是對跨科學領域的創新探索。激光加工技術作為仿生制造中的一項關鍵技術，以其極高的精準度和可控性，在材料加工上展現出巨大潛力，尤其是在制備具有極端尺度的仿生結構方面。基于激光的仿生制造再現了自然界的精湛設計，如荷葉的超疏水結構，貝殼的止裂結構，以及螳螂蝦尾的抗沖擊結構等。這些結構通過激光加工技術得以高效而精準地復制，展示了自然界中結構與功能的完美結合。由此可見，基于激光的仿生制造在定制結構、協同制造方面顯示出獨特的靈活性，為開發微觀精細、極端尺度、多功能集成的仿生結構提供無限可能。這不僅推動了材料科學的發展，也為工程應用帶來了新的契機和挑戰。未來，隨著技術的不斷進步，基于激光的仿生制造將進一步拓展其應用范圍，開創更多前所未有的創新材料和結構體系。

近期，吉林大學工程仿生教育部重點實驗室李星燃博士、張寶玉高級工程師、于征磊教授、任露泉教授、張志輝教授(通訊作者)和新南威爾士大學Timothy Jakobi研究員在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《Laser-based bionic manufacturing》的綜述，系統地討論了激光加工在仿生制造領域的加工原理、制造策略、潛在應用、挑戰和未來發展前景，并闡明了基于激光的仿生制造的三種主要制造策略：減材制造、等材制造、增材制造。這篇綜述旨在針對目前基于激光的仿生制造研究進展提供一個客觀和深入的評價，并對其關鍵問題、局限性及其現有技術的發展前景和機遇進行了討論。

關鍵詞

仿生制造；激光加工；仿生微/納米結構表面；仿生強化表面；仿生空間結構

亮 點

• 介紹了激光加工在仿生制造領域的加工原理、制造策略及其潛在應用。

• 從激光減材制造、激光等材制造和激光增材制造三個方面歸納總結了基于激光的仿生制造研究進展。

• 探討了基于激光的仿生制造的潛在挑戰，并對未來的應用和發展進行了展望。

（圖文摘要）

基于激光的仿生制造：基于激光減材制造的仿生微/納米結構表面、基于激光等材制造的仿生強化表面和基于激光增材制造的仿生空間結構。（插圖）經許可使用。

No. 2

研究背景

經過數百萬年的自然選擇，生物體在應對環境變化和生存競爭中逐步演化出獨特的結構和特征。這些完美的生物結構往往成為現代科學和技術創新的靈感之源，引領人們邁向更加環保、高效的解決方案。盡管我們取得了相當大的進步，但考慮到自然系統的復雜性和多樣性，尋求一種簡單而通用的策略來完全模擬自然的優雅和力量仍然是一個艱巨的挑戰。研究人員正不斷深化對生物結構復雜性的理解，并努力研發能夠最大限度地再現甚至突破自然生物功能結構的先進制造技術。圖1展示了自然啟發工程的關鍵要素，包括仿生學、生物原型設計和仿生制造。激光加工技術因其跨尺度的加工范圍、多樣的材料適應性以及高效快速的特點深受仿生制造研究人員的青睞。激光加工技術巧妙地整合了“自上而下”和“自下而上”的加工特點，為實現生物體的功能特性提供了一種精確、高效的方法。根據制造過程中材料質量的變化，激光制造方法可分為激光減材制造、激光等材制造和激光增材制造。仿生學與激光加工技術之間的協同作用賦予了模擬自然結構的非凡能力，證明了在制造多尺度、多材料和多功能仿生結構方面的適應性與創新性。

圖1自然啟發工程的關鍵要素：仿生學、生物原型設計和仿生制造。

No. 3

最新進展

基于激光的仿生制造最新進展主要分為三個部分：激光減材制造、激光等材制造和激光增材制造。基于燒蝕和誘導效應的激光減材制造提供了極高的加工精度，使其在制備極端尺度的仿生微/納米結構成為可能，例如超浸潤表面、減阻表面、殺菌表面、結構色表面以及激光誘導的周期性表面結構等。激光等材制造技術則是通過在工程構件表面制備仿生強化表面（仿生耐磨表面和仿生止裂結構）顯著延長了產品使用壽命。激光增材制造技術為實現極難加工的結構（如內部流道結構、多孔晶格結構以及異質材料結構）提供了最佳手段。

激光減材制造在微納制造領域得到了廣泛應用，特別是在非平衡熱燒蝕領域。超短脈沖激光燒蝕材料的“無熔融”加工特性引起了極大關注。特別是，飛秒或皮秒激光器的脈寬極短，即使使用微焦耳或毫焦脈沖能量，也能在焦點處獲得極高的峰值功率。對制造脆性、硬質材料或任何具有不利熱特性的材料尤為有效。與光熱工藝相比，超短脈沖激光可產生精度和分辨率更高的表面結構，尺寸公差可達1μm左右。圖2展示了利用激光直接燒蝕法、激光誘導法和激光模板法實現仿生微/納米結構表面的主要方法。

圖2激光減材制造的加工原理：(a)激光直接燒蝕法，(b)激光誘導和(c)激光模板法。（插圖）經許可使用。

仿生超浸潤表面合理設計微納結構對控制表面潤濕狀態起著至關重要的作用。細微的微米/納米結構（低于數十微米）可賦予制備的表面超疏水性，而亞毫米結構（高于數十微米）可調節仿生表面上水滴的形狀，使表面對水滴表現出各向異性的潤濕性。通過激光減材制造可實現具有超疏水/超親水特性的特殊潤濕結構表面，可對超浸潤界面進行精確區域控制實現按需響應的智能仿生超浸潤表面以及在極端寒冷和潮濕的環境中，具有超低冰粘附強度和卓越機械耐久性的仿生表面，如圖3所示。

圖3基于激光減材制造的仿生超浸潤表面。（插圖）經許可使用。

仿生減阻表面減少阻力是減少能源消耗最直接的方法，然而，大多數有關減少阻力的研究都集中在宏觀尺度上。受鯊魚皮膚的啟發，具有非光滑表面結構的生物體可以通過改變物體表面附近的流場來實現減阻。這挑戰了“光滑表面是減少阻力的唯一有效手段”這一傳統觀念，為仿生減阻結構引入了新的視角。除了鯊魚皮狀凹槽減阻陣列外，具有超疏水性和超親水性的復合表面可使氣泡在特定區域自聚集和自組裝實現減阻和承載功能（圖4）。

圖4基于激光減材制造的仿生減阻表面。（插圖）經許可使用。

仿生抗菌表面受蜻蜓翅膀、蟬翼、飛蛾眼睛和壁虎皮膚啟發的抗菌仿生表面，具有規則或無序的微/納米結構，已證明能夠減少細菌粘附，甚至殺死附著的細菌。影響細菌在表面附著的一個關鍵因素是仿生微米/納米結構的深度-周期縱橫比。通過激光減材制造改變仿生抗菌表面的微/納米級間距會改變細菌的接觸狀態，從而有效控制細菌粘附并減少生物膜的形成。當微/納米級表面結構表現出高縱橫比時，抗細菌粘附特性轉化為機械觸發的細菌殺滅。細菌與微米/納米結構接觸時，懸浮在微米/納米結構之間的一些細胞膜會因拉伸而破裂，導致細菌死亡(圖5)。

圖5基于激光減材制造的仿生抗菌表面。（插圖）經許可使用。

仿生結構色表面激光制造技術的發展有力地證明了其在色彩結構制造方面的獨特優勢。憑借飛秒激光制造的高度靈活性，通過激光模板法制備的仿生結構色表面可以獨立調整每個像素的顏色，并精確控制顏色亮度和圖案。這種結構化彩色仿生表面呈現出非對稱光學特性，表現為不同的“顯示”和“隱形”狀態。激光誘導的周期性表面結構在高效生產結構色方面顯示出巨大優勢。在整個激光光斑區域內，能直接制備一組周期性亞微米結構陣列，而不是單個燒蝕坑或燒蝕線(圖6)。

圖6基于激光減材制造的仿生結構色表面。（插圖）經許可使用。

激光等材制造能改善微觀結構，從而全面提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕等性能。激光等效加工還能有效改善涂層的性能以及涂層與基體之間的結合強度。激光等材制造利用激光相變硬化、激光熔融硬化和激光沖擊硬化等表面強化技術，獲得異質表面結構，從而達到強化表面的目的。激光等材制造的加工原理，如圖7所示。

圖7激光等材制造的加工原理。（插圖）經許可使用。

仿生耐磨表面和仿生止裂表面磨損和開裂是部件失效的主要原因，隨著可變載荷的增加，磨損和開裂也會演變為疲勞失效。生物體在惡劣環境中始終保持優異的耐磨性、抗裂性和抗疲勞性，與由軟硬兩相組成的異質表面密不可分。具有異質結構的仿生強化表面表現出強度-韌性協同效應。激光等材制造技術可一體化制備具有形狀、結構和力學等多因素耦合特性的仿生強化表面（圖8）。基于激光等材制造的仿生強化表面在工程領域有著廣泛的應用，尤其是在磨損嚴重的大型設備中，如汽車、冶金、重型機械和航空航天。

圖8基于激光等材制造的仿生耐磨表面和仿生止裂表面。（插圖）經許可使用。

激光增材制造：功能、特性和層次結構的綜合優化，總能讓天然材料實現遠超自身的卓越性能。增材制造已迅速成為仿生制造的首選技術。增材制造突破了減材制造（去除成形）和等材制造（約束成形）的限制，實現了復雜幾何形狀的集成成形。仿生學提供了一種模仿自然結構的方法，而增材制造提供了設計和制造多材料、多尺度和多功能仿生結構的靈活性。根據激光與粉末相互作用的不同機制，激光增材制造主要可分為兩類。這兩類方法分別是以激光定向能沉積為代表的同步送粉成型方法和以激光粉末床熔融為代表的粉末床成型方法，如圖9所示。

圖9激光定向能沉積和激光粉末床熔融的技術對比。

仿生力學增強結構多孔結構（蜂窩結構、晶格結構、蜂巢結構等）因其輕質和多功能的特性，被認為是新一代先進輕質承重系統的最佳選擇（圖10）。將增材制造與拓撲優化相結合，可以生產出在特定條件下具有最佳性能的輕質多孔結構。模擬螳螂蝦、蜂窩等結構能顯著提高輕質部件的抗沖擊和能量吸收能力（圖11）。

圖10基于激光增材制造的多孔結構。

圖11基于激光增材制造的仿生力學增強結構。

仿生異質結構天然材料通常是具有空間異質性和可調特性的復合材料。為了獲得與天然生物結構接近的特性，具有類似貽貝結構的顆粒增強復合材料被證明在抗磨損和抗變形方面非常有效。通過融合不同材料的獨特性能，異質仿生結構展現出多功能性和全面性。多材料增材制造實現了“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨特的功能打印獨特的結構”。一般來說，異質材料的激光增材制造策略包括直接沉積、功能梯度連接和中間層連接（圖12）。

圖12 基于激光增材制造的仿生異質結構。

仿生智能結構響應性指生物對環境刺激的本能反應。許多植物的莖、葉、果實、種子和其他器官都具有獨特的結構，能夠對光、聲音、濕度和溫度等環境條件做出自發反應。基于智能材料的增材制造可對材料進行“編程”，使其對外部刺激做出反應。這種能力賦予了材料動態特性，使其能夠對周圍環境的變化做出反應。受生物體自主運動的啟發，可驅動材料在生物傳感器、軟機器人和仿生驅動等領域得到了廣泛應用（圖13）。

圖13基于激光增材制造的仿生智能結構。

No.4

未來展望

基于激光的仿生制造因其強大的靈活性和廣泛的材料適應性，展現出前所未有的優勢。建立完善的仿生制造測試設備和評估標準是未來重要的發展方向。從選擇生物原型、確定生物功能到制作仿生結構模型，標準化的評估方法將顯著提高仿生制造的可靠性和可重復性。為了實現這一目標，研究人員需要構建多因素特征數據庫，包括材料數據、模型數據和工藝策略等。通過開發工藝參數查詢系統和成型與可成形性結果預測模型，基于數據庫和經驗模型進行工藝參數優化選擇，可以為仿生制造提供指導方案。此外，借助人工智能和機器學習等先進技術，可以更智能、更高效地設計和優化具有復雜形態和功能的仿生結構。

先進的激光系統是仿生制造的有力工具。小光斑、高分辨率的大功率激光器的開發，進一步提高了復雜仿生結構的精度和成型能力。例如，開發具有小光斑直徑和高能量密度的激光器，可以實現微納米級結構的精確加工，從而在仿生結構的制造中獲得更高的細節和功能再現。未來的激光仿生制造將是一個多學科交叉的領域，涉及機械工程、材料科學、生物學以及其他相關領域的合作。通過整合不同學科的知識和專長，可以最大限度地發揮激光仿生制造的潛力。圖14展示了這種多學科整合如何促進該領域的進步，從而實現“源于自然，超越自然”的目標。通過跨學科的合作和創新，我們可以期待激光仿生制造在未來取得更多突破，開發出更高效、更環保的材料和結構體系，推動科學技術的不斷進步。

圖14基于激光的仿生制造未來前景。

No.5

作者簡介

張志輝

吉林大學

張志輝是吉林大學仿生科學與工程學院/生物與農業工程學院/工程仿生教育部重點實驗室教授、博士生導師，國家高層次人才。現任國際仿生工程學會（ISBE）秘書長、吉林大學仿生科學與工程學院/生物與農業工程學院副院長，兼任ISO國際仿生學標準化技術委員會主席等職務。先后主持國家重點研發計劃專項2項、國家自然科學基金項目5項、吉林省創新團隊及重點攻關項目等。在表/界面科學、增材制造（3D打印）、激光制造和材料科學等領域國際權威期刊（如《Adv. Funct. Mater.》《Addit. Manuf.》《Chem. Eng. J.》《Virtual Phys. Prototy.》《Appl. Mater. Today》等）發表論文200余篇；授權美國、中國等發明專利50余件（轉化7件），獲國家技術發明二等獎1項。

李星燃

吉林大學

李星燃，吉林大學工程仿生教育部重點實驗室博士研究生，主要從事仿生增材制造、異質金屬材料增材制造研究。目前以第一作者/共同第一作者在《Virtual Phys Prototy》《J Mater Sci Technol》《Additive Manufacturing Frontiers》《J Mater Res Technol》等國際學術期刊上發表SCI論文10余篇，其中影響因子10以上3篇,申請發明專利4項。

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關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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