张一慧课题组建立定制三维曲面的微点阵设计新方法

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三维多孔微结构在生物体中广泛存在，它们在生物曲面的成型、营养物质的合成与输运、植物生长等方面发挥着多样的、不可替代的作用。由于多孔结构具有轻质高强、高比表面积、优异热学性能等优势，仿生多孔设计在新型材料和器件系统的研制中已得到广泛应用，包括高比刚度/比强度的点阵/泡沫材料，人造组织/器官中的分层血管网络和电磁超材料等。然而，利用仿生多孔微结构来调控三维曲面几何形状方面的研究仍为空白。从应用需求出发，制造具有可定制几何形状的微尺度三维曲面结构及器件，在生物电子学、微型机器人、微纳光学等领域有着重要的应用价值。

图1.基于仿生微点阵设计概念的三维细微曲面定制化设计。A图为生物体中的三维多孔微结构；B图为章鱼状三维细微曲面的定制化设计流程

        近日，受自然界中生物多孔曲面的启发，航天航空学院和柔性电子技术实验室张一慧教授课题组提出了一种微点阵设计概念，能够精细调控二维薄膜的刚度分布特征，进一步结合力学引导的三维屈曲组装方法，实现了三维复杂细微曲面的定制化设计与制备（图1）。研究者建立了基于曲梁变形理论（图2）和机器学习算法（图3）的微点阵设计方法，用于优化二维点阵薄膜中孔隙率与三角形单胞尺寸的分布特征，进而实现目标三维细微曲面的逆向设计。与已报道的基于变厚度薄膜的逆向设计策略相比，仿生微点阵设计巧妙地避开了精细调控二维微米薄膜厚度分布的巨大技术挑战。在本工作中，研究者基于仿生微点阵设计方法，展示了采用不同功能材料（如单晶硅、金属、壳聚糖和激光诱导石墨烯）的30余种复杂细微曲面结构的定制化设计与制备，包括规则曲面（如半球面、半椭球面、半环面和闭合球面）和复杂生物曲面（如花朵/果实状植物曲面和蚂蚁/章鱼/黄貂鱼状动物曲面）。

图2.基于曲梁变形理论的对称三维细微曲面的逆向设计与组装

图3.基于机器学习算法的复杂生物细微曲面的逆向设计与组装

        基于微点阵设计方法，研究者研制了一种透气共形的三维心脏电子器件，一种具有双振动模式的仿生驱动器件和一种仿视网膜三维电子细胞支架，充分展示了该设计方法在生物电子学、微机电系统、微型机器人等领域广阔的应用前景。
       相关研究成果于3月24日在《科学》（Science）以“采用微点阵设计定制三维细微曲面”（Programming 3D Curved Mesosurfacesusing Microlattice Designs）为题发表。
        清华大学航天航空学院和柔性电子技术实验室张一慧教授为该文章的通讯作者。清华大学航天航空学院2017级博士生程旭和航天航空学院博士后范智超（现为湖南大学副教授）为文章的共同第一作者。论文作者还包括北京科技大学姚生莲副教授，清华大学航天航空学院2019级博士生金天棨、沈张明，自动化系2019级博士生陈一彤，航天航空学院博士后吕增耀、兰宇、柏韧恒、张帆等。该研究得到国家自然科学基金委原创探索计划项目、科学探索奖、清华大学国强研究院基金等的资助。
       论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824
         文章来源：清华大学
       张一慧，清华大学航天航空学院工程力学系副教授。2006年在南京航空航天大学飞行器设计与工程专业获学士学位，2011年在清华大学工程力学系获博士学位。2011年至2015年在美国西北大学土木与环境工程系先后担任Postdoctoral Fellow和Research Assistant Professor。2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助。他的主要研究兴趣包括力学引导的微尺度三维结构组装，柔性可延展电子器件，软质多孔材料等。至今已发表SCI论文70余篇，其中《Science》2篇，《Cell》1篇，《Nature》子刊10篇，《Science》子刊1篇，《PNAS》4篇，力学领域顶级期刊《JMPS》8篇，材料学权威期刊《Advanced Functional Materials》7篇，《ACS Nano》2篇。获《麻省理工学院技术评论》“全球35位35岁以下创新者”（2016）、香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”（2016）、美国机械工程师协会最高论文奖梅尔维尔奖章Melville Medal（2017）、美国机械工程师协会应用力学部杰出论文奖Journal of Applied Mechanics Award（2017）、国际工程科学协会青年学者奖章（2018）等荣誉。