仿生3D列印技術：比竹子生長還快的創新突破

想像一下，一隻花園蝸牛以每秒1毫米的速度緩緩爬行。這樣的節奏看似緩慢，但若將其應用於3D列印技術，卻能帶來驚人的速度突破。貝克曼先進科學與技術研究所的研究團隊開發出一種名為「生長列印」的全新3D列印技術，其速度不僅超越現有的列印方法，更以一種仿生的方式，模擬樹木向外擴充套件的生長過程，快速且高效地製造聚合物零件，無需傳統3D列印所需的模具和昂貴裝置。這項研究成果已發表於《先進材料》期刊。

「人類在製造技術上擁有非凡的天賦，但要找到全新的製造方法並不容易。『生長列印』完全是一種創新，這讓人感到非常興奮。」伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械科學與工程教授、專案負責人Sameh Tawfick表示。他指出，目前最常見的工業製造技術是注塑成型，這種方法雖然適合大量生產，但模具和固化爐的維護成本高昂，尤其對於船體或風扇葉片等大型物件來說，更是難以負擔。相較之下，3D列印技術無需模具，非常適合客製化零件，例如義肢。

「聚合物3D列印裝置已經相當成熟，但仍存在成本高、速度慢的問題。」Tawfick解釋道，「我們的目標是提高製造速度、尺寸和材料品質，同時降低成本。我們開發的這項技術確實快速且經濟實惠。」

研究團隊的創新方法如下：首先，他們將一種琥珀色的液體樹脂（稱為二環戊二烯，DCPD）倒入一個浸泡在冰水中的開放式玻璃容器中。接著，他們將樹脂的中心點加熱至70°C。隨著反應開始，熱量以每秒1毫米的速度從接觸點向外輻射，這速度比家用桌上型3D印表機快100倍，甚至比世界上生長最快的竹子快60倍。熱量所到之處，樹脂會硬化成一個不斷擴大的球體，就像神話中的邁達斯國王觸碰地球核心一樣。

這種反應被稱為「前沿開環複分解聚合」（FROMP），它依靠熱量的穩定釋放自我維持，並以極低的能量將樹脂硬化成固體形式——聚二環戊二烯（p-DCPD）。在球體硬化的過程中，研究人員可以像從黏稠的焦糖中取出蘋果一樣，將其拉出樹脂，從而改變其形狀。由於液體到固體的反應僅發生在表面以下，研究人員可以像吹製玻璃一樣，透過提起、浸入或旋轉固體零件來操控其大小和形狀。例如，要製造波浪狀邊緣，只需稍微提起樹脂，保持靜止，然後重複此動作。

這項技術的設計靈感來自於樹木的環狀生長過程。在自然界中，重力、風和溫度等因素會影響樹木的生長，使其在風中彎曲或朝向陽光伸展。Tawfick對生物的生長模式和形狀（即形態發生學）深感著迷，這份熱情源自他閱讀D'Arcy Wentworth Thompson的著作《生長與形態》。去年八月，當Tawfick從副教授晉升為正教授時，他將這本書獻給了大學圖書館。

利用這項新技術，Tawfick和團隊成功製造了松果、覆盆子和南瓜等日常物品。這些都是軸對稱形狀，即圍繞垂直軸對稱。非對稱形狀雖然更具挑戰性，但同樣可行。例如，研究人員透過讓球體在表面下擴充套件，並在適當的時機將其拉出，成功塑造了一隻奇異鳥的頭部和喙。

「這是一種美麗且簡單的反應擴散過程應用，這種過程在許多自然系統中都能找到。生長列印的速度和能源效率使其特別具有吸引力。在此合作專案的建模方面，我們開發了一種計算工具，可以預測實現目標形狀所需的棒材向上運動。」伊利諾伊大學航空工程教授、論文的共同作者Philippe Geubelle表示。

這項技術的侷限性與自然界相似。雖然理論上可以列印香蕉等彎曲物件，但數學程式設計相當困難，複雜形狀如「玫瑰中的刺」也是如此。「在自然界中很難找到完美的立方體。我不知道有任何植物或生物看起來像完美的立方體。同樣地，我們的技術也無法製造完美的立方體。這是一種與自然的有趣對照。」Tawfick說道。

Tawfick認為這項技術「簡單且極具市場潛力」，並希望未來能應用於製造大型聚合物產品，例如風力渦輪機葉片。