清華新聞網(wǎng)3月27日電 三維多孔微結(jié)構(gòu)在生物體中廣泛存在，它們?cè)谏锴娴某尚?、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成與輸運(yùn)、植物生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著多樣的、不可替代的作用。由于多孔結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高比表面積、優(yōu)異熱學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)，仿生多孔設(shè)計(jì)在新型材料和器件系統(tǒng)的研制中已得到廣泛應(yīng)用，包括高比剛度/比強(qiáng)度的點(diǎn)陣/泡沫材料，人造組織/器官中的分層血管網(wǎng)絡(luò)和電磁超材料等。然而，利用仿生多孔微結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控三維曲面幾何形狀方面的研究仍為空白。從應(yīng)用需求出發(fā)，制造具有可定制幾何形狀的微尺度三維曲面結(jié)構(gòu)及器件，在生物電子學(xué)、微型機(jī)器人、微納光學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
圖1.基于仿生微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)概念的三維細(xì)微曲面定制化設(shè)計(jì)。A圖為生物體中的三維多孔微結(jié)構(gòu)；B圖為章魚(yú)狀三維細(xì)微曲面的定制化設(shè)計(jì)流程
近日，受自然界中生物多孔曲面的啟發(fā)，航天航空學(xué)院和柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組提出了一種微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)概念，能夠精細(xì)調(diào)控二維薄膜的剛度分布特征，進(jìn)一步結(jié)合力學(xué)引導(dǎo)的三維屈曲組裝方法，實(shí)現(xiàn)了三維復(fù)雜細(xì)微曲面的定制化設(shè)計(jì)與制備（圖1）。研究者建立了基于曲梁變形理論（圖2）和機(jī)器學(xué)習(xí)算法（圖3）的微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)方法，用于優(yōu)化二維點(diǎn)陣薄膜中孔隙率與三角形單胞尺寸的分布特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維細(xì)微曲面的逆向設(shè)計(jì)。與已報(bào)道的基于變厚度薄膜的逆向設(shè)計(jì)策略相比，仿生微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)巧妙地避開(kāi)了精細(xì)調(diào)控二維微米薄膜厚度分布的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。在本工作中，研究者基于仿生微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)方法，展示了采用不同功能材料（如單晶硅、金屬、殼聚糖和激光誘導(dǎo)石墨烯）的30余種復(fù)雜細(xì)微曲面結(jié)構(gòu)的定制化設(shè)計(jì)與制備，包括規(guī)則曲面（如半球面、半橢球面、半環(huán)面和閉合球面）和復(fù)雜生物曲面（如花朵/果實(shí)狀植物曲面和螞蟻/章魚(yú)/黃貂魚(yú)狀動(dòng)物曲面）。
圖2.基于曲梁變形理論的對(duì)稱(chēng)三維細(xì)微曲面的逆向設(shè)計(jì)與組裝
圖3.基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的復(fù)雜生物細(xì)微曲面的逆向設(shè)計(jì)與組裝
基于微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)方法，研究者研制了一種透氣共形的三維心臟電子器件，一種具有雙振動(dòng)模式的仿生驅(qū)動(dòng)器件和一種仿視網(wǎng)膜三維電子細(xì)胞支架，充分展示了該設(shè)計(jì)方法在生物電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、微型機(jī)器人等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果于3月24日在《科學(xué)》（Science）以“采用微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)定制三維細(xì)微曲面”（Programming 3D Curved Mesosurfacesusing Microlattice Designs）為題發(fā)表。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院和柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授為該文章的通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2017級(jí)博士生程旭和航天航空學(xué)院博士后范智超（現(xiàn)為湖南大學(xué)副教授）為文章的共同第一作者。論文作者還包括北京科技大學(xué)姚生蓮副教授，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2019級(jí)博士生金天棨、沈張明，自動(dòng)化系2019級(jí)博士生陳一彤，航天航空學(xué)院博士后呂增耀、蘭宇、柏韌恒、張帆等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、科學(xué)探索獎(jiǎng)、清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院基金等的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
