學院張一慧課題組建立定制三維曲面的微點陣設計新方法

三維多孔微結構在生物體中廣泛存在,它們在生物曲面的成型、營養物質的合成與輸運、植物生長等方面發揮著多樣的、不可替代的作用。由于多孔結構具有輕質高強、高比表面積、優異熱學性能等優勢,仿生多孔設計在新型材料和器件系統的研制中已得到廣泛應用,包括高比剛度/比強度的點陣/泡沫材料,人造組織/器官中的分層血管網絡和電磁超材料等。然而,利用仿生多孔微結構來調控三維曲面幾何形狀方面的研究仍為空白。從應用需求出發,制造具有可定制幾何形狀的微尺度三維曲面結構及器件,在生物電子學、微型機器人、微納光學等領域有著重要的應用價值。

圖1.基于仿生微點陣設計概念的三維細微曲面定制化設計。A圖為生物體中的三維多孔微結構;B圖為章魚狀三維細微曲面的定制化設計流程

近日,受自然界中生物多孔曲面的啟發,澳門所有娛樂官方網站鏈和柔性電子技術實驗室張一慧教授課題組提出了一種微點陣設計概念,能夠精細調控二維薄膜的剛度分布特征,進一步結合力學引導的三維屈曲組裝方法,實現了三維復雜細微曲面的定制化設計與制備(圖1)。研究者建立了基于曲梁變形理論(圖2)和機器學習算法(圖3)的微點陣設計方法,用于優化二維點陣薄膜中孔隙率與三角形單胞尺寸的分布特征,進而實現目標三維細微曲面的逆向設計。與已報道的基于變厚度薄膜的逆向設計策略相比,仿生微點陣設計巧妙地避開了精細調控二維微米薄膜厚度分布的巨大技術挑戰。在本工作中,研究者基于仿生微點陣設計方法,展示了采用不同功能材料(如單晶硅、金屬、殼聚糖和激光誘導石墨烯)的30余種復雜細微曲面結構的定制化設計與制備,包括規則曲面(如半球面、半橢球面、半環面和閉合球面)和復雜生物曲面(如花朵/果實狀植物曲面和螞蟻/章魚/黃貂魚狀動物曲面)。

圖2.基于曲梁變形理論的對稱三維細微曲面的逆向設計與組裝

圖3.基于機器學習算法的復雜生物細微曲面的逆向設計與組裝

基于微點陣設計方法,研究者研制了一種透氣共形的三維心臟電子器件,一種具有雙振動模式的仿生驅動器件和一種仿視網膜三維電子細胞支架,充分展示了該設計方法在生物電子學、微機電系統、微型機器人等領域廣闊的應用前景。

相關研究成果于3月24日在《科學》(Science)以“采用微點陣設計定制三維細微曲面”(Programming 3D Curved Mesosurfacesusing Microlattice Designs)為題發表。

清華大學澳門所有娛樂官方網站鏈和柔性電子技術實驗室張一慧教授為該文章的通訊作者。清華大學澳門所有娛樂官方網站鏈2017級博士生程旭和澳門所有娛樂官方網站鏈博士后范智超(現為湖南大學副教授)為文章的共同第一作者。論文作者還包括北京科技大學姚生蓮副教授,清華大學澳門所有娛樂官方網站鏈2019級博士生金天棨、沈張明,自動化系2019級博士生陳一彤,澳門所有娛樂官方網站鏈博士后呂增耀、蘭宇、柏韌恒、張帆等。該研究得到國家自然科學基金委原創探索計劃項目、科學探索獎、清華大學國強研究院基金等的資助。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824


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