近年來，智能結構以其可控變形、自修複和傳(chuan) 感等功能特性而受到廣泛關(guan) 注，在現代跨學科研究中發揮了關(guan) 鍵作用，其在仿生學、軟體(ti) 機器人、航天工程、柔性傳(chuan) 感和生物醫學等領域擁有廣闊的應用前景。隨著智能結構的材料多樣性和結構複雜性的提高，傳(chuan) 統製造方法難以滿足現階段需求，3D打印技術因其多材料兼容性、個(ge) 性化定製和集成製造的能力而適用於(yu) 製造各種智能結構，給智能結構的加工製造提供了一種經濟有效的方式。

EFL團隊受主編約稿在Advanced Intelligent Systems期刊發表“Recent Progress in 3D Printing of Smart Structures: Classification, Challenges, and Trends”這一主題綜述，紀毓楊博士生為(wei) 第一作者，欒叢(cong) 叢(cong) 博士和賀永教授為(wei) 通訊作者。本綜述主要對各種智能結構（刺激響應型智能結構、自修複智能結構和傳(chuan) 感智能結構）的3D打印方法、所使用的材料及應用領域的最新進展進行了全麵的概述，還係統的總結了智能結構的3D打印技術的需求、當前瓶頸和未來發展趨勢。

圖1 常見的三種智能結構功能及本綜述的主要關(guan) 注點

1. 智能結構中主流3D打印技術簡介

3D 打印已成為(wei) 一種可以替代傳(chuan) 統製造方法的通用製造方法。在3D打印過程中，使用CAD軟件將對象虛擬地切成多個(ge) 層、塊或斑點。此後，使用打印機將打印材料逐層或逐塊堆疊以獲得目標對象。如圖2所示，科學研究和自然生活總是息息相關(guan) ，根據表麵成型方法的不同，可以將智能結構增材製造中3種常用的3D打印工藝形象地看作是日常生活中土豆的3種加工方式的逆過程。（1）土豆切片與(yu) 光固化打印類比，比如數字光處理 (DLP)、投影微立體(ti) 光刻 (PμSL)、磁場輔助投影立體(ti) 光刻 (M-PSL) 和微尺度連續光學打印 (μCOP)；（2）土豆切絲(si) 與(yu) 擠出式打印類比，比如直接墨水書(shu) 寫(xie) (DIW) 和熔融沉積建模 (FDM)。（3）土豆切塊與(yu) 噴墨式打印類比，比如PolyJet和基於(yu) 氣溶膠噴射打印技術 (AJP)。

圖2 3D打印原理與(yu) 方法進行類比(類似切土豆的逆過程)

2. 智能結構的分類與(yu) 總結

2.1 溫度響應智能結構

溫度響應智能結構可以隨溫度變化產(chan) 生響應以實現預定功能。這種智能結構功能的實現一般通過以下幾種方式：（1）將多個(ge) 熱敏度不同的層疊在一起，熱敏度不同的層可以使用不同的材料或具有不同厚度的相同材料來得到；（2）將形狀記憶材料嵌入較軟的基材中；（3）特定形狀的熱源加熱；（4）在製造期間或之後施加預應力。溫度響應智能結構在仿生變形結構、軟體(ti) 機器人和非二進製致動器方麵有廣泛的應用前景。

DIW和FDM是溫度響應智能結構增材製造中廣泛使用的方法。通過噴墨打印和 DLP 方法製造溫度響應智能結構也越來越受到關(guan) 注。PμSL方法使製造具有高分辨率微結構的溫度響應智能結構成為(wei) 可能。溫度響應智能材料主要包括水凝膠和形狀記憶聚合物，其中PNIPAAm是應用最廣泛的智能水凝膠。有限的響應速度、驅動力、結構穩定性和力學性能是製約溫度響應智能結構發展的關(guan) 鍵因素。目前，能夠用於(yu) 3D打印的高性能溫度敏感智能材料仍然較少。雖然已經有針對雙向驅動器所需的材料和製造工藝的相關(guan) 研究，但大多數溫度響應智能結構隻能實現單向驅動。為(wei) 了進一步對變形行為(wei) 進行定量分析並對印刷參數進行優(you) 化，已經進行了許多理論分析和仿真模擬，並仍需進一步研究。

圖3 溫度響應智能結構

2.2 電磁響應智能結構

電響應智能結構通常由電活性聚合物驅動，例如介電彈性體(ti) 致動器 (DEA) 和電活性水凝膠 (EAH)，因為(wei) 它們(men) 具有相當大的應變能力和能量密度。電響應智能結構通常通過分層或纏繞的方式將電致伸縮材料和非電活性材料結合起來，以實現彎曲和扭曲等基本動作，複雜的動作可以通過多個(ge) 基本動作的組合來實現。

圖4 電響應智能結構

磁響應智能結構因其快速響應和非接觸控製特性而被廣泛應用。磁響應功能通常是通過將鐵磁顆粒摻雜到聚合物基質中來實現的，例如聚二甲基矽氧烷 (PDMS)、UV 樹脂和水凝膠。為(wei) 了在磁場中實現複雜的變形，可以通過將各部分沿不同方向磁化來調整磁力方向，並且可以調節磁性粒子的濃度來改變磁力大小。

圖5 磁響應智能結構

DIW是應用最廣泛的電磁響應智能結構增材製造方法。對於(yu) 磁響應智能結構而言，鐵粉、羥基鐵粉和Fe3O4粉末是常見的軟磁顆粒，NdFeB顆粒是常見的硬磁顆粒。值得注意的是，不同磁化方向的組件通常需要單獨磁化然後進行手動組裝，這是阻礙複雜磁響應智能結構小型化和製造效率提高的關(guan) 鍵問題，磁場輔助3D打印方法提供了有效的解決(jue) 方案。同時，盡管微機器人在血管狀管道中的運動控製已經實現，外部電磁控製裝置的控製策略和小型化需要進一步研究。

2.3 自修複智能結構

自修複智能結構可以自動或在外部刺激（如光或熱）的影響下修複材料中的損傷(shang) 。因此，它們(men) 為(wei) 結構壽命延長提供了一種簡單且低成本的方法。愈合效率和成功連續愈合循環的數量是表征此類智能結構自修複性能的兩(liang) 個(ge) 主要參數。自修複智能結構的建模方法主要包括使用含有可逆鍵的自修複材料和內(nei) 部插入含有修複成分的空心血管網絡或膠囊。3D打印技術的引入使得複雜自愈結構（如複雜形狀和複雜的內(nei) 部的血管網絡）的製造成為(wei) 可能。

DIW 再次成為(wei) 製造自修複智能結構最常用的方法。基於(yu) 可逆化學鍵的自修複智能結構的愈合率幾乎可以達到100%，而大多數基於(yu) 血管網絡的自修複智能結構的愈合率相對較低。有幾個(ge) 問題需要進一步研究：（1）現有的自修複智能結構的自修複時間普遍較長，許多修複過程需要施加外部刺激進行觸發。尋找合適的修複劑來實現不同材料的自主快速愈合尤為(wei) 重要。（2）探索能夠在低工作強度條件下實現自愈的智能結構對於(yu) 提高生產(chan) 效率至關(guan) 重要。（3）血管網絡的結構極大地影響自愈性能。因此，為(wei) 更科學的結構探索更為(wei) 科學有效的血管結構設計方法顯得尤為(wei) 重要。對此，提出了一種基於(yu) 默裏定律的仿生血管網絡設計方法。（4）目前的研究重點主要集中在機械性能的自愈性能。其他特性的恢複（如電氣特性）也需要進一步研究。

圖6 自修複智能結構

2.4 傳(chuan) 感智能結構

傳(chuan) 感智能結構可以感知在外部物理參數的變化，例如位移、壓力和濕度。傳(chuan) 感功能通常是通過將電子元件或壓電導電材料嵌入絕緣基質中來實現的。這種結構在諸如可穿戴電子傳(chuan) 感設備、軟機器人智能觸覺監測、關(guan) 鍵部件實時監測等領域展現出廣泛的應用前景。

3D打印技術的應用為(wei) 可穿戴柔性傳(chuan) 感器和機器人觸覺傳(chuan) 感係統的製造提供了一種簡單有效的方法。然而，目前大多數智能傳(chuan) 感結構隻能進行定性分析，難以實現高精度的定量測量，線性度較差。因此，進一步的研究是必要的。

圖7 傳(chuan) 感智能結構

2.5 其他智能結構

針對前麵分類中沒有提到的一些智能結構進行了補充和簡要綜述，包括一些刺激響應性智能結構，刺激類型涵蓋PH、光、聲波和離子濃度等，還對基於(yu) 溶脹原理的智能結構、具有選擇透過性的智能結構和擁有變色功能的智能結構也進行了概述，大多數這些智能結構 3D 打印方法的研究仍處於(yu) 起步階段。

圖8 幾種其他智能結構

3. 智能結構的3D打印技術中存在的挑戰

3D打印因其多材料兼容性、個(ge) 性化定製和集成製造的能力而適用於(yu) 各種智能結構的製造。不同類型的智能結構需要不同的 3D 打印方法。在所有綜述的智能結構中，普遍采用 DIW、DLP 和 PμSL 打印方法。AJP 和 μCOP 方法的尺寸限製和高成本以及 M-PSL 方法的磁響應功能特異性限製了這些方法的普遍應用。3D 打印速度、分辨率和成本之間一直是一種此消彼長的權衡關(guan) 係。因此，選擇合適的 3D 打印方法的關(guan) 鍵是在這三者之間找到一種微妙的平衡關(guan) 係。

圖9 各種智能結構中用到的3D打印方法總結

4. 智能結構的3D打印技術未來的發展趨勢

（1）在材料方麵，尋找新的可印刷高性能智能材料或改進現有可印刷材料的性能至關(guan) 重要。通過摻雜功能因子或流變改性劑來為(wei) 傳(chuan) 統基體(ti) 材料提供新特性的是一個(ge) 不錯的方法。例如，碳納米管可以與(yu) PLA 混合以實現優(you) 異的導電性；羥基鐵粉可摻入水凝膠中以獲得優(you) 異的磁響應特性；PLAs 可以摻雜含有動態 Diels-Alder 功能的聚合物以實現優(you) 異的層間粘合性能。

（2）在智能結構功能方麵，多功能結構的探索有望成為(wei) 大勢所趨。目前，大多數智能結構隻能執行單一功能。多功能智能結構的發展將提高其性能並擴大其應用範圍。例如，已經提出了具有自愈能力和受激變形能力的智能結構、整合刺激響應變形和電導功能的智能結構以及整合自我監測和自我修複功能的結構。此外，已經提出了能對多種刺激做出反應的智能結構，使同一個(ge) 智能結構應用於(yu) 多種場景成為(wei) 可能。

（3）從(cong) 製造的角度來看，新的 3D 打印方法和設備的開發值得進一步研究。適用於(yu) 新型高性能智能材料的製造方法將大大促進對智能結構的研究。值得注意的是，已經提出了一種用於(yu) 原位製造的 3D 打印方法，該方法可以在工作位置直接打印對象，從(cong) 而提高製造效率並使在如月球等惡劣環境下的現場直接製造成為(wei) 可能。另外，在開發新型3D打印設備時，安裝質量監控裝置可以在打印過程中實時監控和修正，從(cong) 而提高打印精度，減少缺陷。

（4）在應用方麵，現有的智能結構往往會(hui) 出現形似神不似的問題。因此，在提出相關(guan) 概念之後，需要在現實生活中找到實際的應用場景。這就要求智能結構的驅動力和位移能力應該增加，響應速度應該進一步提高。此外，智能結構的耐久性需要更多的研究。目前，大多數溫度響應材料不能承受高溫，智能結構中常用的一些材料（如水凝膠）在惡劣條件下無法有效發揮作用。並且，必須建立對各種智能結構的智能行為(wei) 進行高精度定量分析的理論模型。對智能結構的跨尺度研究也應該開展研究，不但要關(guan) 注智能結構的微細觀微結構對功能的影響，也要擁有宏觀大尺寸智能結構的打印能力。