受植物根系分形流网络启发的3D打印柔性抛光工具设计：K9玻璃的结构柔顺性与材料去除机制
受植物根系在复杂地下环境中高效介质传输的启发，研究人员提出了一种新型仿生结构设计方法用于解决柔性抛光过程中的流体传输与排屑瓶颈。该研究借助立体光固化（SLA）3D打印技术，构建了包含混合区、传输区与抛光区的三维微循环网络。研究结果表明，工具的屈曲变形与离心力协
受植物根系在复杂地下环境中高效介质传输的启发，研究人员提出了一种新型仿生结构设计方法用于解决柔性抛光过程中的流体传输与排屑瓶颈。该研究借助立体光固化（SLA）3D打印技术，构建了包含混合区、传输区与抛光区的三维微循环网络。研究结果表明，工具的屈曲变形与离心力协同作用显著提升了抛光液利用率。三维腔体结构有效均匀化了接触压力分布，从而抑制了亚表面微裂纹的萌生。在K9玻璃的加工实验中，该工具实现了0.125 mm
光学玻璃等典型硬脆材料因其卓越的光学透射率和机械性能，在激光核聚变系统及空间观测透镜等先进光电领域应用广泛。然而，其超高硬度与低断裂韧性使得传统刚性精密研磨极易在加工表面产生高刚度接触，引发表面及亚表面微裂纹（SSD）。在后续服役应力下，微裂纹扩展会导致材料局部撕裂，严重影响光学元件的疲劳寿命和成像质量。传统刚性加工难以兼顾微纳级面形精度与低损伤表面完整性。近年来虽有柔性抛光技术通过弹性基体的物理屈服缓解应力集中，但传统柔性工具在受压变形时会导致接触界面高度贴合且封闭，引发抛光液传输瓶颈，新鲜磨粒无法有效进入核心加工区，限制加工效率与质量。为解决此“闭合效应”，研究人员从植物根系高效传输介质的形态中获得启发，开展了一项发表于《Materials 》的研究。该研究设计了一种内置植物根系分形流网络的3D打印柔性抛光工具，旨在通过内部宏微观结构设计打破流体传输瓶颈，实现硬脆材料的高效、绿色精密加工。
研究人员采用高分辨率3D扫描提取植物根系空间拓扑特征，结合Levenberg-Marquardt非线性最小二乘回归算法进行几何重构与曲线拟合，设计了仿生根系通道模型。利用立体光固化（SLA）3D打印技术制造柔性树脂工具。在多物理场耦合分析方面，采用Abaqus有限元分析（FEA）模拟接触界面应力场，基于灰度共生矩阵（GLCM）算法量化压力均匀性；利用Ansys Fluent计算流体动力学（CFD）中的体积流体（VOF）多相流模型与离散元方法（DEM）模拟磨粒运动轨迹。加工实验在微型数控机床（CNC）平台上进行，以K9光学玻璃为样本队列，采用固定偏心进给抛光策略开展多因素正交与响应面实验。
通过有限元分析（FEA）得出，无纹理工具的接触压力呈准高斯分布，存在严重的中心应力集中；而仿生根系结构工具因内部相交通道与表面凹槽提供了充足的结构柔顺性，中心峰值压力大幅缓解，压力场拓扑演变为平滑的多峰高斯分布。通过计算灰度共生矩阵（GLCM）证实，仿生根系表面凹槽工具的有效接触压力分布比例接近100%，压力均匀性（Homogeneity）显著提升，从根本上抑制了工件表面中位微裂纹的萌生。
利用计算流体动力学（CFD）中的体积流体（VOF）多相流模型与离散元方法（DEM）进行流场模拟。结果表明，仿生三维拓扑通道在主轴离心力与基体压缩弹性反弹的驱动下产生了显著的泵送效应，形成了具有承载能力的润滑液膜。工具末端随机分布的出口将抛光液“挤压涂覆”于接触界面，补偿了离心损失。核心接触区流体速度从阻塞的0.25 m/s提升至0.6 m/s，二维流体分布面积扩大超50%，有效解决了核心区抛光液与磨粒匮乏的难题。
基于三因素三水平正交设计与Box-Behnken响应面分析得出，在1 mm下压深度与10 wt%磨粒浓度条件下，仿生表面凹槽工具在10分钟内将表面粗糙度从2.60 μm快速降至0.241 μm。经过40分钟精密抛光后，粗糙度最终收敛至0.090 μm，同时维持了0.125 mm3·min?1的高材料去除率（MRR）。激光共焦显微镜观测表明，该工具加工的表面亚表面损伤（SSD）裂纹密度显著降低，且基体的交替压缩与反弹打乱了传统同心圆扫描轨迹，消除了方向性划痕。
研究人员通过结合宏观力学应力场预测与微观断裂力学理论，证实了仿生工具通过均匀化接触压力有效抑制了亚表面三维裂纹的深度与扩展。研究最终得出结论：仿生根系分形流网络柔性工具成功解决了高变形接触区内的抛光液匮乏问题；内部三维网络与表面凹槽赋予的结构柔顺性将集中峰值压力转化为平滑的多峰高斯分布，从根本上抑制了亚表面微裂纹的萌生；该工具实现了效率与表面质量协同优化，在K9玻璃加工中不仅保持了峰值材料去除率，还获得了极低的表面粗糙度，并有效消除了方向性划痕，全面提升了光学元件的表面完整性。