01【导读】
纤维增强复合材料因其优异的承载和能量吸收性能，被广泛应用于航空航天、汽车和国防等领域。近年来，增材制造（3D打印）进一步拓展了此类复合材料的设计空间，使传统制造技术难以实现的复杂结构成为可能。其中，聚合物粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）打印技术具有高精度、无需支撑即可制造复杂结构等优势，并可通过复合粉末开发与结构拓扑设计实现性能提升与轻量化。为提高力学性能，短切玻璃纤维、碳纤维和Kevlar纤维等已被广泛引入聚合物基体用于PBF打印。然而，由于逐层制造特征、粉末重铺过程诱导的纤维取向以及纤维自身的方向性，PBF打印纤维增强复合材料通常表现出显著的力学各向异性，从而降低了其服役可靠性，并限制了其在复杂承载和多方向机械防护场景中的应用。已有研究尝试通过调节纤维含量、优化打印参数以及开发后处理工艺等减弱各向异性，但改善有限，其原因在于这些方法主要集中于材料组成或工艺调控，而较少从结构层面解决各向异性带来的性能限制。因此，如何通过架构设计主动利用而非削弱PBF工艺诱导的各向异性，并进一步实现稳健的全向机械防护，是亟待解决的关键问题。
02【成果掠影】
针对这一问题，英国皇家学会院士、新加坡南洋理工大学周琨教授团队提出了一种受牙釉质启发的仿生织物架构（bioinspired fabric architecture）。该架构将打印方向调控的纤维取向、立方胞元交错互锁拓扑与真空约束诱导的jamming效应相结合，在结构层面主动利用PBF打印纤维增强复合材料中的工艺诱导各向异性，实现高性能全向机械防护。该工作借鉴了牙釉质中釉柱随牙齿局部表面变化而调整取向的增强机制（surface-following reinforcement），通过形状自适应的互锁拓扑，纤维增强杆件能够随曲面几何重新取向，同时保持纤维取向与局部表面之间一致的几何关系，从而将原本具有方向依赖性的材料性能转化为空间均匀的机械增强。进一步，通过调控打印方向，当主要纤维取向与轴向承载杆件呈45°夹角时，纤维在轴向载荷传递与横向变形抑制两方面的作用在所测试取向中达到最佳平衡，从而显著提高结构的比强度和比能量吸收。真空约束诱导的jamming效应进一步增强互锁单元之间的接触与摩擦，并使屈服后的变形模式由弯曲主导的屈曲转变为互锁单元协同倾斜，实现了承载、能量吸收和可恢复性的同步提升。最终，优化结构的比强度和比能量吸收分别提高至未经打印方向优化且无真空约束结构的1.85倍和1.92倍。更重要的是，该仿生织物架构不同空间位置的冲击防护能力差异仅约10%，而传统纤维增强架构的差异达到67%，证明其能够实现传统PBF纤维增强架构难以获得的空间均匀的全向机械防护。
相关研究成果以“Bioinspired Fabric Architecture Harnessing Anisotropy for Omnidirectional Mechanical Protection”为题发表在 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）上。第一作者为南洋理工大学博士后研究员田圆圆博士，南洋理工大学研究助理迟汉之为共同第一作者，周琨教授为论文通讯作者；其他合作者包括南洋理工大学博士研究生范静波、Zheng Han Lim和Adrian Ong，南洋理工大学博士Wei Shian Tey，南洋理工大学访问学者张作启教授，以及佐治亚理工学院H. Jerry Qi教授。
03【核心创新点】
1、提出一种架构驱动的各向异性利用范式。
受牙釉质中釉柱随牙齿局部表面排列的启发，将打印方向调控的纤维取向与形状自适应的交错互锁拓扑相结合，在结构层面实现随形增强（surface-following reinforcement），将PBF工艺诱导的各向异性从性能限制转化为性能优势，实现空间均匀的机械增强。
2、建立结构设计、工艺控制与外部约束协同的强化策略。
通过调控打印方向，使纤维在轴向载荷传递与横向变形抑制两方面的作用达到最佳平衡；进一步利用真空约束诱导的jamming效应增强互锁单元间的接触与摩擦，并调控屈服后变形模式，从而协同提升承载、能量吸收和可恢复性，实现高性能全向机械防护。
04【数据概览】
图1、利用PBF打印纤维增强复合材料工艺诱导各向异性的仿生织物架构设计 © 2026 PNAS
图2、打印方向调控仿生织物架构的压缩力学行为 © 2026 PNAS
图3、真空约束下仿生织物架构的力学性能与变形行为 © 2026 PNAS
图4、仿生织物架构与其他结构的力学性能对比及其全向机械防护能力 © 2026 PNAS
图5、仿生织物架构在不同尺度和力学性能区间的代表性应用 © 2026 PNAS
05【成果启示】
这项研究表明，PBF打印过程中形成的各向异性，不仅可以通过工艺优化加以调控，也可以通过结构设计得到利用，转化为性能优势。研究通过结构设计、工艺控制与外部约束的协同作用，提高了打印纤维增强复合材料的承载能力、吸能表现和变形后的恢复能力，为开发适应多方向受力的机械防护结构提供了新思路。这种仿生织物结构有望为可穿戴防护装备、形状自适应防护外壳和柔性防护覆盖层等应用提供设计参考。
文献链接：“Bioinspired Fabric Architecture Harnessing Anisotropy for Omnidirectional Mechanical Protection”（PNAS, 2026, https://doi.org/10.1073/pnas.2608431123）
本文由作者团队供稿。
