工程师们设计了一种材料，这种材料具有与人类小梁相同数量的棒状和片状结构，并将其排列成周期性的模式，为增强3d打印轻型结构提供了一种新方法。来源:普渡大学图片/Pablo Zavattieri
骨骼和3d打印建筑有什么共同之处?它们的内部都有柱子和横梁，这决定了它们的寿命。
现在，人类骨骼材料中“光束”如何处理终身磨损的发现，可以转化为3d打印轻质材料的发展，这种材料可以持续足够长的时间，在建筑、飞机和其他结构中更实际地使用。
康奈尔大学、普渡大学和凯斯西储大学的一组研究人员发现，当他们模拟这种光束并将其加厚30%时，人造材料的使用寿命可以延长100倍。关于天赋平台
人类骨骼材料中“光束”如何处理终生损耗的发现，可以转化为3d打印轻质材料的发展，这种材料可以持续足够长的时间，在建筑、飞机和其他结构中更实际地使用。信贷:艾琳东方国家的人
骨头是建筑物。这些柱子承担了大部分的荷载，梁连接着这些柱子。我们可以从这些材料中学习，为建筑和其他结构创建更坚固的3d打印材料，”普渡大学莱尔斯土木工程学院的Pablo Zavattieri教授说。
骨头的耐久性来自一种叫做小梁的海绵状结构，它是由相互连接的垂直板状支柱和充当柱子和梁的水平杆状支柱组成的网络。骨小梁越密，骨骼对日常活动的弹性就越大。但是疾病和年龄会影响这个密度。
人体股骨
这幅人类股骨的图像显示了相互连接的白线，这些白线构成了海绵状的骨小梁。一项研究发现，较厚的水平支柱会增加骨骼的疲劳寿命。来源:康奈尔大学照片/克里斯托弗·埃尔南德斯
在发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，研究人员发现，尽管垂直支柱对骨骼的刚度和强度有所贡献，但实际上增加骨骼疲劳寿命的是看似微不足道的水平支柱。
克里斯托弗·埃尔南德斯在康奈尔大学的研究小组曾怀疑水平支撑结构对骨骼的耐久性很重要，这与该领域普遍持有的关于小梁的观点相反。
机械、航空航天和生物医学工程教授Hernandez说:“当人们变老时，他们首先失去了这些水平支撑，增加了骨头在多次循环载荷作用下断裂的可能性。”关于天赋平台
进一步研究这些结构可以为骨质疏松症患者提供更好的治疗方法。
与此同时，3d打印房屋和办公空间正在进入建筑业。与传统水泥相比，印刷水泥的生产速度更快、成本更低，但即使是印刷水泥层也需要足够坚固，能够应对自然灾害——至少对现在的家庭来说是这样。
这个问题可以通过仔细重新设计水泥本身的内部结构或“建筑”来解决。Zavattieri的实验室一直在开发受自然启发的建筑材料，增强其性能并使其更具功能性。
扎瓦提里的实验室正在努力将自然的最佳强度策略融入到这些材料中，作为这一努力的一部分，扎瓦提里的实验室对机械分析模拟做出了贡献，以确定水平支撑在人类骨骼中的作用是否比之前认为的更大。然后，他们设计了结构类似小梁的3d打印聚合物。
3d打印聚合物模型的小梁
研究人员3d打印了人体骨小梁的聚合物模型，并对其施加了载荷，研究是否某些结构在骨耐久性中发挥了比之前认为的更重要的作用。来源:普渡大学图片/Pablo Zavattieri
模拟结果表明，水平支撑对延长骨的疲劳寿命至关重要。(参见本文顶部附近的视频。)
“当我们跑模拟骨微观结构在循环荷载下,我们能够看到,压力会集中在这些水平struts,通过增加这些水平struts的厚度,我们可以减轻一些观察到的菌株,“说Adwait Trikanad,作者在这工作和土木工程博士生普渡。
对受骨骼启发的3d打印聚合物进行加载证实了这一发现。水平支撑越厚，聚合物承受载荷的时间就越长。
由于加厚支柱并没有显著增加聚合物的质量，研究人员相信这种设计将有助于制造更有弹性的轻质材料。
