骨头、鸟羽毛和木材是能够以智能方式分配物理应力的自然材料，尽管它们的结构不规则。然而，直到现在，关于应力分配与其结构之间的关系尚未得到很好的理解。最近的一项研究利用机器学习、优化、3D打印和应力实验对这些自然材料进行了深入研究。工程师们开发了一种模仿人类骨骼特性的材料，特别用于骨科股骨修复。自然材料中的应力分布由于其不规则结构而难以理解。一项新研究利用机器学习、优化、3D打印和应力实验对这些自然材料进行了深入研究。工程师们开发了一种模仿人类骨骼的材料，特别用于骨科股骨修复。这一点很重要，因为股骨骨折在老年人中很常见，并导致应力集中在裂缝尖端，增加受伤风险。骨折扩展的可能性更高。传统的股骨骨折治疗方法通常涉及外科手术以用螺钉固定金属板，可能导致松动、慢性疼痛和进一步受伤等潜在问题。
最近一项由伊利诺伊大学香槟分校的土木与环境工程教授Shelly Zhang及研究生Yingqi Jia主导，并与北京大学的教授Ke Liu合作的研究提出了一种新的骨科修复方法。这种方法利用一个完全可控的计算框架来创建一种模仿骨头的材料。
该研究的结果已经发表。这些发现发表在《自然通讯》期刊上。“我们从一个材料数据库开始，利用虚拟生长模拟器和机器学习算法创建了一个虚拟材料，然后理解其结构与物理性质之间的联系，”Zhang解释道。“使这项研究与先前研究不同的是，我们更进一步，创建了一个计算优化算法，以最大化我们可以操控的架构和应力分布。”
在实验室，Zhang的团队使用3D打印技术生产了创新的仿生材料的完整树脂原型，并将其连接到一个合成模型。创建一个人类股骨骨折模型是研究中的重要步骤。Zhang表示，拥有一个物理模型使团队能够进行现实世界的测量、测试其有效性，并确认以模仿自然生物系统的方式生长合成材料的可能性。团队设想这项工作将有助于建造能够通过提供优化支持和保护免受外部力量促进骨骼修复的材料。Zhang还指出，这项技术可以用于多种需要应力操控的生物植入物。此外，该方法是多用途的，适用于包括金属和聚合物在内的多种材料。“使用任何类型的材料，”她说。“关键在于几何形状、局部结构和相应的机械性能，使应用几乎没有尽头。”
伊利诺伊大学的David C. Crawford Faculty Scholar Award支持了这项研究。
Zhang还与机械科学与工程及伊利诺伊大学国家超级计算应用中心有联系。
