结构材料在航空航天、汽车及土木工程中对保障安全至关重要。尽管传统结构能提升抗冲击性，但仍存在应力集中、层间剥离及密度与强度失衡等缺陷。相比之下，人工多孔结构材料凭借低密度、高比强度和能量吸收可调等优势备受瞩目。随着光固化3D打印技术的突破，传统制备工艺在精度与复杂构筑上的局限得到解决，为高性能结构材料的精准制造开辟了新途径。

  鉴于此，中国科学技术大学与澳大利亚伍伦贡大学研究人员联合提出了一种材料–结构协同设计策略。研究利用DLP 3D打印技术，将分子级双网络强韧化的弹性体与仿生梯度极小曲面结构深度融合，实现了从微观基体到宏观拓扑的跨尺度调控。这种梯度设计有效优化了力学响应与能量吸收性能，为提升结构材料在复杂动态冲击下的防护效能提供了全新思路。

  相关研究以“Bioinspired Gradient Minimal Surface Structural Materials via Vat Photopolymerization Towards Efficient Impact Resistance”为题发表于TOP期刊《Advanced Functional Materials》，该研究成果入选期刊封面，体现了其在结构设计与先进制造领域的重要创新性与学术影响力。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生王普润，通讯作者为龚立平博士与刘帅博士，李卫华教授、邓华夏教授与王胜副教授给予了指导。

【仿生结构材料的协同设计与表征】

  受蝴蝶翅膀与竹子微观结构的启发，研究团队提出了一种材料与结构深度耦合的设计策略。通过DLP 3D打印技术，将具备双网络结构的强韧杂化聚氨酯弹性体与仿生梯度极小曲面拓扑相结合，实现了对应力传递路径的精准调控。这种跨尺度设计有效将冲击载荷锁定在局部并诱发多重能量耗散机制，显著提升了结构的吸能效率与损伤容限，为研发轻质、高强、可定制的精密抗冲击防护材料提供了全新的理论依据与制造方案。

图1. 仿生梯度TPMS结构的设计制造与表征

【光固化材料的精准增材制造】

  针对复杂结构的高精度制造需求，研究团队深入探究了杂化聚氨酯丙烯酸酯（HPUA）树脂的光聚合特征。该树脂凭借低粘度与快速凝胶特性，实现了微米级特征的精准复制，并结合优化的光固化参数有效抑制了成像模糊。凭借优异的光学透明度，该材料成功实现了从微细结构到复杂梯度极小曲面晶格的高分辨率3D打印，为功能结构材料的精密制造奠定了基础。

图2. 复杂结构材料的光固化精准制造

【光固化弹性体的准静态机械性能】

  通过系统调控聚氨酯丙烯酸酯的配比，构建了一系列交联密度可调的杂化弹性体，实现了材料从延性到高强度、高模量的性能跨越。该系列弹性体在保持结构均一性的同时，达到了强度与韧性的卓越平衡，其抗穿刺能力与损伤容限显著优于传统光敏树脂。

图3. 光固化弹性体的静态力学行为表征

【仿生结构材料的动态抗冲击行为】

  利用指数函数对极小曲面（TPMS）进行空间重构，通过胞元尺寸与壁厚的协同演变，成功制备出具备径向梯度特性的仿生超材料。这种设计不仅优化了载荷传递路径，更通过延长有效压缩行程显著增强了能量吸收能力，使其在低密度条件下展现出远超传统拓扑结构的防护优势。

图4. 仿生梯度TPMS结构的动态抗冲击行为

【仿生结构材料的损伤机制与杂化设计】

  相较于传统结构易发生的无序撕裂与坍塌，仿生梯度TPMS结构通过应力的空间重分配，将损伤有效限制在局部区域，显著提升了结构的完整性。在此基础上，利用真空辅助浸渍技术引入聚合物第二相，实现了从单一拓扑到多相杂化的设计跨越。通过填充不同特性的聚合物，不仅大幅增强了结构的承载能力，更利用粘弹性耗散机制实现了吸能效率的跃升，为开发高性能、定制化的抗冲击防护材料提供了新途径。

图5. 仿生梯度TPMS结构损伤机制与杂化设计

【小结】

  本研究通过将分子尺度强韧化与宏观拓扑优化深度融合，开发出新一代高性能抗冲击机械超材料。利用精准调控的强韧光固化基体与仿生梯度极小曲面结构，有效优化了应力分布与能量耗散机制，实现了从灾难性断裂到受控局部损伤的转变。结合多相杂化设计，该策略进一步提升了载荷承载与吸能效率的定制化能力，为航天、交通及个人防护等领域的精密防护系统研发提供了全新的理论支撑与制造路径。

  原文链接：

  Purun Wang, Liping Gong, Jiajun Yu, Shilong Duan, Zimu Li, Min Sang, Qiankun Chen, Shiyu Lin, Sheng Wang, Huaxia Deng, Weihua Li, Shuai Liu. Bioinspired gradient minimal surface structural materials via vat photopolymerization towards efficient impact resistance. Advanced Functional Materials, 2026, 36(30): e30573.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202530573