突破传统3D打印！受树木生长启发，研发出「仿生生长3D打印」技术

    传统3D打印技术虽能实现定制化生产，但速度慢、能耗高，难以满足大型复杂结构的制造需求。近日，这项突破性研究由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Grace X. Gu教授团队以"Morphogenic Growth 3D Printing"为题在Advanced Materials期刊发表了最新研究成果，从自然界汲取灵感，模仿树木生长的方式，开发出了一种全新的3D打印技术——形态发生生长打印（GP）。这项技术不仅打印速度提升10倍，能耗仅为传统方法的千分之一，还能像植物一样“自我生长”出复杂形状。

文章简析
自然生长的秘密：树木如何启发科学家？
树木的生长无需模具，仅通过细胞分裂和外部环境（如阳光、重力）的调控，就能形成复杂结构。研究团队从中获得灵感，提出了一种“自传播固化前端”的打印机制：

核心原理：利用放热聚合反应（FROMP反应），将液态树脂瞬间固化为固体，固化前端以1 mm/s的速度自主扩展，无需持续外部供能。

触发方式：类似树木从种子生长，只需一个加热的“引发剂”接触树脂表面，即可触发链式反应，随后通过控制引发剂的运动轨迹，引导打印形状。

就像用笔尖在蜂蜜中画线，蜂蜜接触笔尖后自动凝固，笔尖移动的路径决定了最终形状。

创新亮点：如何“打印万物”？
轴对称结构：通过调节引发剂移动速度与固化前端速度的比值（𝑢̃），可打印发散、直筒、收敛等形状。例如，覆盆子、南瓜等自然形状均可精准复刻。

打破对称性：

多引发剂合并：使用双引发剂可打印中空结构，固化前端合并后强度与实体一致。

复杂轨迹：螺旋运动可打印“羊角”状结构，水平运动可制作“几维鸟”形状。

树脂改性：通过添加聚丁二烯（PBD）提高树脂粘度，实现悬空细丝的精准成型。

突破传统3D打印性能
与传统技术相比，GP技术优势显著：

速度：固化前端自主扩展，打印速度达1 mm/s，比最快的光固化快2-10倍。

能耗：仅需10 J的初始触发能量，后续依赖反应放热，能耗降低千倍。

潜力：可打印超大部件（如船体、风力叶片），且体积越大，单位能耗越低。

摘要
受自然形态发生的启发，一种新的 3D 打印工艺——生长打印（GP）——利用自繁殖固化前沿，按照类似生长的开发计划生产 3D 聚合物部件。固化前沿的传播由双环戊二烯（DCPD）的放热聚合驱动，当液态树脂以 1 mm s-1 的速度传播时，它会将液态树脂转化为坚硬的聚合物。当加热的引发剂接触打开容器中的未固化液态树脂时，会触发GP。引发剂使正面聚合反应和生长前沿的各向同性径向传播成核。同时，引发剂在树脂的自由表面上向上移动，将固化的物体从未固化的树脂中拉出。引发剂相对于游离树脂表面的运动轨迹控制3D部件的生长形态。开发了一种逆向设计算法，通过对反应扩散驱动的凝固过程进行建模来生产3D零件。该工艺可节省大量能源并提高打印速度。

图1.形态形成生长打印（GP）。a） 树干在其自然环境中的形态发生;b） 径向传播的聚合前沿示意图，它通过消耗周围的单体产生自生长的固体物体。实线和虚线分别表示聚合固体和反应前沿的提前;c） 描述双环戊二烯 （DCPD） 的正面开环复分解聚合 （FROMP） 转化为 pDCPD 的化学反应。GC2 是 Grubbs 的第二代催化剂，P（OR）3是一种基于亚磷酸盐的抑制剂，用于控制 FROMP 反应性;d） 使用盘绕在其尖端的 V 形电阻丝进行热触发 FROMP 成核和实心球体生长的实验;e） GP、熔融沉积建模 （FDM） 和立体光固化成型 （SLA） 的示意图。标签 1 和 2 分别指向液态树脂和聚合固体;f） 存储模量 G′、损耗模量 G“ 和温度是通过旋转剪切流变测量和 IR 视频的组合获得的。在流变仪上进行原位 FROMP 时拍摄的示意图和 IR 快照。所有比例尺均为 10 mm。欢迎关注本公众号：仿生科学与工程，跟进仿生学最新前沿动态。

图2.GP 概念和演示。a） 圆柱形（直形）GP 的示意图（上图）和照片（下图）;b） 用于在 a） 中产生直线形状的尖端运动曲线;c） 通过增加尖端速度与前部速度比，对发散、笔直和会聚形状进行几何控制u∼;d） 通过将停留时间从3 s增加到8 s来对半球形打印进行径向控制。所有比例尺均为 10 mm。欢迎关注本公众号：仿生科学与工程，跟进仿生学最新前沿动态。

图3.使用数值求解器生成的 G 代码（逆问题），模拟具有指定加热尖端运动（正向问题）的 GP 和天然产物的四个轴对称形状的生长打印。a） 仿真原理图;b） 针对 3 个u∼导致发散、笔直和收敛的配置文件。对于波纹状，加热尖端的垂直运动包括一系列的停留和向上运动。c） 直线形状的 GP：5 个不同时间的实验（纯黑色）和模拟（红色虚线）结果之间的比较。d） 生长印花覆盆子。作为目标形状拟合的控制点和 NURBS 曲线（蓝色）。反向针尖位移（黑色）、针尖速度（红色固体）和u∼=1参考（红色虚线）与时间。目标形状和打印形状之间的比较;e） 南瓜;f） 松果;所有比例尺均为 10 mm。欢迎关注本公众号：仿生科学与工程，跟进仿生学最新前沿动态。

图4.GP 中的对称性打破。a） 尖端形状打破轴对称。2、3、4 鳍尖端以及 GP 期间产生的横截面变化;b） 两个平行的尖端。一个前部从每个尖端开始，然后在运动过程中它们在它们之间的中间合并;c） 通过尖端水平、垂直和角运动轨迹制成的弯曲圆梁。左、右部分的停留时间不同，分别为 4.5 和 5.5 s;d） 粘度改性树脂，可在拉制的粘性细丝内形成前缘。在这里，聚合前沿可以在树脂丝中从桶中传播出来。通过拼版水平或螺旋尖端运动，分别产生奇异鸟和螺旋角形状。

图5.各种增材制造工艺的打印速率和比能耗 （SEC）。文中讨论了与 GP 过程测量相关的趋势（星号和虚线）。GP 数据点（星号）是从 GP 实验中测量的。r 是打印球体或直圆柱体的半径（以mm为单位）。

应用前景和展望
未来应用：从医疗到航天
医疗：快速定制高精度假体或手术导板。
工业：无需模具制造大型复杂结构，降低风电、船舶制造成本。
材料创新：通过树脂配方调整，可兼容更多高性能聚合物。

这项研究将仿生学与智能制造结合，开启了“生长式制造”的新纪元。未来，3D打印或许会像植物生长一样自然。 期待这项技术早日走出实验室，改变我们的生产与生活。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202406265