Makerbot公司于2013年推出雙材料FDM打印機，通過并排的兩個擠出噴頭，交替間歇控制兩種材料的擠出過程，完成雙材料的3D打印過程。Scott等人報道了一種獨特的多通道微流控擠出噴頭，能夠做到材料的按需混合或分配，實現經同一個噴頭按需擠出不同材料的打印過程，并且該微流控噴頭能夠通過簡單組合的方式實現至多16x16的陣列排布，極大地加速擠出式3D打印的制造過程。此外，擠出式3D打印技術還可通過對噴頭結構進行合理設計，實現多材料的實時混合和嵌套過程。

對于粉末床打印技術（如SLS、SLM、EBM等），傳統的滾軸或刮刀式粉末送料機制無法做到同時按需分布多種不同金屬粉末，因此如何在床層沉積不同金屬粉末材料是解決多金屬打印的一項關鍵問題。Wei等人提出一種真空輔助的粉末沉積系統，該系統由三個噴頭組成，其中兩個為粉末沉積噴頭，一個為真空吸頭。打印時，先由噴頭A在打印平面鋪展一層金屬粉末A，隨后通過激光燒結得到固化的金屬A圖案，之后由真空吸頭吸走未燒結的金屬粉末A，進而使用噴頭B沉積金屬粉末B，繼續使用激光進行固化燒結，完成一層雙金屬材料的平面打印過程。該噴頭還能夠根據需要調節原料粉末沉積的流量，從而實現雙金屬材料漸變梯度的打印過程。

對于光固化系統（如SLA、DLP等），由于打印材料全部存放在原料槽中，且固化過程依靠數字激光照射液體表面，因此無法做到同時生成具有特定圖案的多種液體材料表面。一種替代思路是利用多噴頭打印方式，將不同原料液按需沉積在打印表面形成打印圖案，再使用紫外光照射進行固化，代表技術例如PolyJet和MultiJet。此外，Han等人報道了一種基于DLP的多材料3D打印技術，他們在DLP打印原料槽設置一組材料切換閥，在完成每種材料的打印后，通過程序控制將原料槽內的液體排空，實現打印過程中的材料切換。但此技術也有一定局限性，例如在打印水相和油相的復合聚合物材料時，管道壁殘留的材料會在反復的材料切換中形成乳液，導致紫外光的散射影響成型效果。

此外，不同種類材料之間的復合材料也能夠通過改進的3D打印工藝得以實現，例如性質差別較大的金屬-高分子復合材料。Xie等人通過SLA與FDM結合的技術方式，在SLA打印過程中沉積液態金屬導線，得到不同設計結構的核磁共振測試探頭，通過優化導線的空間分布，實現靜態物品微米級別分辨率的核磁共振掃描效果。Khondoker等人設計了一種同軸FDM打印噴嘴，通過合理的內外層流速匹配實現了SEBS包低熔點金屬核殼線材的打印，并進一步打印出螺旋的天線接收器。Wu等人使用NbFeB與TPU混合粉末作為原料，通過SLS技術選擇性燒結TPU打印出含有NbFeB顆粒的彈性磁體材料，進一步組裝成為開關應用于智能壓電傳感。

多層級系統是指通過實體、成分或幾何結構的分層組合形成具有不同屬性（如功能、密度、尺寸等）分界結構的一類系統。自然界中存在著各種形式的多層級系統，例如河流、沙丘、山川、閃電等，其主要通過各級通路的組合來實現高效的運輸效率。同樣，多層級系統在人類生活中也無處不在，例如社會中的組織架構、道路網絡的設計以及信息數據的獲取，其通過各級功能的合理分配使得系統整體具有更高的運行效率。作為自然界中最精密的系統，生命體也是一種由細胞、組織、器官、器官系統構成的多層級系統，各級單元通過能量和物質代謝的互相關聯，最終實現機體的諸項功能。

在人類技術的早期發展中，天然材料的使用扮演著重要的角色，例如動植物的某些部位（龜甲、海綿、魚骨、樹干）。隨著現代表征手段的發展，研究人員們發現在這些天然生物材料中往往存在某些特征結構的層級排列行為，例如結構單元（纖維、片層、顆粒）、孔隙或表面結構（褶皺、條紋、粗糙）。而正是通過這種層級排列的行為，使得這些材料具有相較于其單一尺度排列下不具備的功能和特性。例如輕質高強度的骨頭、堅硬的貝殼、抗沖擊的果皮、快速過濾的海綿、自清潔的葉片表面、高粘附力的昆蟲足底、色彩斑斕的蝴蝶翅膀等。因此，這種具備一定功能或性質的結構單元在不同尺寸跨度下規則排列構成的材料，被稱作多層級材料。

根據層級單元的性質，多層級材料可分為多層級組分材料和多層級結構材料。多層級組分材料是指材料組分單元（原子、分子、晶胞、大分子鏈等）通過相互作用力形成的局部或整體組分變化的系統，例如堅韌的木質組織；多層級結構材料是指材料在不同尺度上具有重復分布的幾何結構單元，例如疏松多孔的海綿結構。其中，多層級結構材料根據層級單元的分布特征還可分為多層級表面結構和多層級孔結構。

天然材料通過這種在不同尺度上合理的層級排列，獲得了遠超其均相材料性質的功能和性能，這也啟發了人們將多層級結構運用在人造材料領域。將性質更豐富的化學合成材料通過合理的層級排列，能夠獲得潛在的高性能材料。并且在人造材料中引入多層級結構也將允許人們在不犧牲現有材料功能的前提下更多的使用性能稍弱但是更環保、儲量更豐富、生物相容性更好的材料。

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