泡沫、點(diǎn)陣這樣的微結構材料通過(guò)幾何形狀獲得了卓越的機械性能，它們具有高剛度和強度，同時(shí)又保持極輕的性能。但是如果將具有這類(lèi)結構的零件應用在耐用設備上，仍需在循環(huán)(huán)載荷下延長(cháng)其使用壽命。

根據(jù)魔猴網(wǎng)(wǎng)的市場(chǎng)觀(guān)察，來(lái)自普渡大學(xué)等科研機構的研究團隊受到天然松質(zhì)骨骼微觀(guān)結構的啟發(fā)(fā)，找到了延長(cháng)這類(lèi)結構疲勞壽命卻極少增加重量的方法。研究團隊分析了人類(lèi)骨骼中水平支撐結構如何“抵抗”磨損的原理，并將這一原理轉化為設計3D打印輕量化結構的方法。這類(lèi)3D打印輕量化結構在應用于建筑物、飛機或其他領(lǐng)域時(shí)將具有足夠的壽命。

研究論文Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life發(fā)(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》中。

模仿人體骨小梁結構的3D打印聚合物模型。來(lái)源：普渡大學(xué)

水平支撐影響疲勞壽命

人體骨骼通過(guò)小梁的海綿狀結構獲得耐用性，這種海綿狀結構是由相互連接的垂直柱狀支撐和水平桿狀支撐作為柱和梁組成的網(wǎng)(wǎng)絡(luò )。小梁越密集骨骼在日?；顒?dòng)中抉W接袕椥?，但是疾病和年齡會(huì )影響這種密度。

人類(lèi)股骨的圖像顯示出相互連接的白線(xiàn)，這些線(xiàn)構成了小梁結構。

來(lái)源：普渡大學(xué)

研究團隊指出，當人們衰老時(shí)他們的骨骼中首先失去的是水平支撐，這一狀況將增加骨骼在多個(gè)循環(huán)(huán)載荷作用下斷裂的可能性。研究團隊發(fā)(fā)現(xiàn)，垂直的柱狀支撐結構與骨骼的剛度、強度相關(guān)，而水平的支撐結構與骨骼疲勞壽命有關(guān)。

研究團隊進(jìn)行了機械分析模擬，以確定水平支撐結構在人體骨骼中的作用是否比以前認為的要大。然后，他們設計了具有與骨小梁相似的3D打印聚合物。

與骨小梁具有相同數(shù)量水平、垂直支撐桿的3D打印模型。

來(lái)源：普渡大學(xué)

研究團隊在循環(huán)(huán)載荷下對骨骼的微觀(guān)結構進(jìn)行仿真時(shí)，能夠看到應變會(huì )集中在這些水平支桿上，并且通過(guò)增加這些水平支桿的厚度，能夠減輕一些觀(guān)察到的應變，當向3D打印的聚合物施加載荷時(shí)，水平支撐桿越厚，聚合物承受載荷的時(shí)間就越長(cháng)。

研究論文中指出，研究團隊通過(guò)3D打印的微結構模型發(fā)(fā)現(xiàn)，水平支撐結構的單元厚度的小幅增加可以使疲勞壽命增加10到100倍，遠遠超過(guò)了相關(guān)密度變化的預期。根據(jù)普渡大學(xué)的報道，研究團隊將水平支撐結構的厚度增加約30％時(shí)，人造材料的使用壽命可能會(huì )延長(cháng)100倍。

由于增厚水平支撐結構不會(huì )顯著(zhù)增加3D打印聚合物的重量，因此研究人員認為，這種設計方式對于創(chuàng )(chuàng)建更具彈性和更長(cháng)疲勞壽命的輕量化材料具有意義。