公立研究型大学弗吉尼亚理工大学的研究人员正在教导机械臂制造具有受树木、贝壳和骨骼启发的自然、流畅几何形状的材料。在一项为期三年、价值350万美元的美国国家科学基金会"未来制造研究资助"的支持下，该团队正推动技术超越传统的平面层、直线打印，使机器人能够从多个方向沉积复合材料。这种方法制造的部件具有类似木材的纹理结构，能更好地预测和吸收应力，使其强度比使用传统增材制造技术生产的部件高出近10倍。该资助是NSF未来制造研究计划仅授予的七个项目之一，该计划旨在支持开发尚不存在的制造能力。

突破逐层打印的限制
早期的3D打印工作原理很像热胶枪，铺设单材料线条，冷却后堆叠成层。尽管该技术仍占主导地位，但机器人多向打印与先进复合材料相结合，正在解锁一度被认为不可能的部件：柔性电子结构、更轻更强的飞机零件以及多功能机械系统。

弗吉尼亚理工大学Made先进制造中心主任克里斯托弗·威廉姆斯表示："近十年来，我们一直在探索机械臂如何惠及3D打印。我们发现，要真正利用这些机械臂的灵活性来提高打印部件强度，需要结合我们在设计优化、先进材料、机器人控制和增材制造方面的集体知识。我们将这些部分整合起来的早期成果非常令人兴奋。"

技术背后的团队
核心团队由四位机械工程系教员组成：Pinar Acar及其团队构建虚拟模型并使用机器学习识别最佳材料-性能组合；Michael Bartlett负责工程材料研究；Erik Komendera是前NASA工程师，将航空航天机器人技术专长应用于实验室新创新；克里斯托弗·威廉姆斯则领导增材制造设计、研究与教育实验室。

Bartlett解释说："这个项目需要我们所有人，因为任何单个研究人员都无法在材料、工艺、设计和机器人技术方面取得所需的进展。你不能把这项工作放在单个实验室里，因为那样你将缺乏推动它前进所需的专业知识。"

培养未来劳动力
除了技术本身，该项目还优先考虑培养未来的工程师。工程教育系教授Lisa McNair正在将这些新兴制造方法整合到学生的学习中——从K-12外展活动到在整个工程学院嵌入"制造支柱"。她的工作将评估这些创新如何塑造未来制造业劳动力的技能和准备状态。

自然启发的增材制造
弗吉尼亚理工大学的研究是自然启发3D打印更广泛趋势的一部分。2022年，普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员受骨骼和木材启发，开发了一种新型多孔结构。这些设计具有spinodal微结构——其孔隙可调节以微调部件性能和表现。具有这些结构的部件通常比完全致密的部件更轻，同时提供可定制的刚度分布。该团队已使用SLA 3D打印技术原型化了面部植入物和轻质飞机发动机部件等应用。

同时，阿联酋的科学家开发了一种一步式3D打印方法，使用双材料复合材料制造轻质、蜂窝状螺旋壳芯结构。他们发表在《自然启发的具有周期性螺旋结构的多孔共连续轻质复合材料》上的研究表明，这些结构比同等的单材料结构更坚固。该团队还证明，调整螺旋结构的空间组成可以控制机械性能，从而为不同的工程应用实现一系列性能特征。